(57)【要約】本発明は第１の基板の表面と第２の基板の表面とを近接または部分的に接触させる工程と、前記第１の基板の表面と前記第２の基板の表面との間に揮発性の液体を供する工程と、前記揮発性の液体を気化させ基板を貼り合わせる工程とからなることを特徴とする基板貼り合わせ方法に係るものである。【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板の表面と第２の基板の表面とを近接または部分接触させる工程と、前記第１の基板の表面と前記第２の基板の表面との間に揮発性の液体を供する工程と、前記揮発性の液体を気化させて基板を貼り合わせる工程とからなることを特徴とする基板貼り合わせ方法。
【請求項２】
前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一方の表面を親水性処理する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項３】
前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一方の表面が平滑処理されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項４】
前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一方の表面に溝が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項５】
前記溝が仮想中心線に対してほぼ対称構造になるように形成されていることを特徴とする請求項４記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項６】
前記溝の深さ、幅が前記基板の貼り合せる表面全てで実質的に同じになるように形成されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項７】
前記溝の垂直断面形状が２種類以上の形状を有することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項８】
前記溝の垂直断面積が前記基板の外周部に向かうほど連続的又は不連続的に大きくなっていることを特徴とする請求項４、請求項５または請求項７のいずれか１項に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項９】
前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一方の表面に、誘電体材料または金属材料からなる薄膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項１０】
前記揮発性の液体が、１気圧での沸点が１００℃以下の有機溶剤からなることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項１１】
前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一方の基板が酸化物結晶基板であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の基板張り合わせ方法。
【請求項１２】
前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一方の基板がＬｉＮｂｘＴａ（１−ｘ）Ｏ３結晶（０≦ｘ≦１）からなる基板であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の基板貼り合わせ方法を用いて得られる貼り合わせ基板。
【請求項１４】
請求項１３に記載の貼り合わせ基板を加熱処理することにより得られる直接接合基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、ガラス材料、半導体材料、誘電体材料、金属材料、セラミック材料などから選ばれる複数の基板を貼り合わせ、反りや歪みの非常に小さな直接接合基板を得るための基板貼り合わせ方法及びその方法を用いて得られる貼り合わせ基板並びに直接接合基板に関するものである。
【背景技術】  接着剤などを用いずにガラス材料、半導体材料、強誘電体材料、金属材料、圧電セラミックス材料など様々な材料からなる複数の基板同士を強固かつ高精度に接合し、様々な特性を持つデバイスを実現する技術として直接接合技術が知られている。特に異種材料基板間の直接接合技術はその有用性が高い。
異種材料基板間の直接接合基板の例としては酸化物強誘電体結晶を用いた直接接合基板、ガラスとＬｉＮｂＯ３結晶基板（以下ＬＮ結晶基板ともいう）、ガラスとＬｉＴａＯ３結晶基板（以下ＬＴ結晶基板ともいう）などの直接接合基板が挙げられる。また、他の材料の例としては、半導体材料基板を直接接合することにより、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を作製する方法などが広く知られている。
例えばガラス材料基板、誘電体材料基板、金属材料基板、半導体材料基板などの異種材料基板間の直接接合基板は、貼り合わせられた直接接合基板の一方の基板を薄板化したのち、例えばリッジ加工して光導波路型素子として利用するなど、光学素子への応用などが期待されている。
一般に、光学素子などの機能性デバイスは直接接合基板に研磨やエッチングなどの加工を施して作製される。研磨やエッチングの工程においては、直接接合基板をプロセス装置に保持する際に直接接合基板が歪みや反りを有していると、直接接合基板の均一な保持を妨げ、加工精度が低下する。特に高い精度が必要な薄板化研磨や面積の大きいドライエッチングなどの際には、直接接合基板の歪みの大きさがデバイスの特性や製品の歩留まり率に大きく影響する。従って、高性能の機能性デバイスを得るためには、直接接合基板の貼り合わせ精度を高めることにより、歪みや反りを低減することが必要である。
ここで、従来の直接接合基板の製造方法の一例について説明する。
例えば、近接状態にした基板をわずかに加圧することにより局所的な密着状態を形成させ、密着領域の近傍をさらに加圧することにより密着領域を拡大させて全面密着させる方法がある。このとき貼り合わせる前の基板が歪みを有している場合、不均一な密着部分が直接接合基板に歪みを発生させ、貼り合わせ不良を生じさせる。
前記歪みの発生状態の模式図を図７に示す。図７（ａ）〜図７（ｃ）において、７はＸカットのＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３結晶基板（以下ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板ともいう）、８はＸカットのＬｉＮｂＯ３結晶基板、９は加圧手段である。ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板７とＬＮ結晶基板８との各接合面は光学研磨されているものとする。図７（ａ）に示すように、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板７とＬＮ結晶基板８とを近接保持した状態でＭｇＯ：ＬＮ結晶基板７の一部を加圧手段９により局所的に加圧する場合、局所的な加圧により基板が歪んだ状態で密着状態が形成される。すなわち、加圧部直下の接合面では加圧の中心から外側に向かって応力が生じるため、結晶格子が拡がった状態で密着する。この密着領域の近傍をさらに加圧すると、図７（ｂ）に示すように、新たな加圧部には加圧中心から外側に向かう力が加わり、すでに密着している部分には加圧時とは逆の結晶格子が縮む方向に応力が加わる。
一般に知られているように直接接合可能な貼り合わせ基板は、熱処理を加えない状態においても密着強度が高く、相当な力を加えても密着部分が剥離することはない。従って、前記歪みは密着部分に残留し、貼り合わせる基板の中央部から密着状態を形成し、基板の端に向かって密着領域を拡大した場合には、図７（ｃ）に示すように直接接合基板全体で見ると非常に歪んだ基板が形成されることになる。
前述のような貼り合わせ時に発生する歪みを低減し、さらに、機能性デバイスの量産時に接合不良による歩留まり率の低下を引き起こす気泡や空隙の除去を行う方法が提案されている。
例えば特開平０９−６３９１２号公報には、基板に逃げ溝を形成させることにより貼り合わされる面の気泡や空隙を除去し、あわせて加圧時に掛かる応力を逃げ溝により緩和させる方法が記載されている。しかし、例えば歪みを有した２枚の基板を接触させる際には、完全に密着させるために基板の一部分もしくは全体を加圧する工程が必要であるため、局所的な未接合領域は低減されるが、直接接合基板全体としての基板歪みが大きくなるという問題が明らかとなった。
この場合の歪み発生の様子を図８に基づき説明する。図８（ａ）〜図８（ｄ）において、１０はＸカットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板、１１は逃げ溝を形成したＸカットのＬＮ結晶基板、１２は加圧手段、１３は逃げ溝である。ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１０とＬＮ結晶基板１１のそれぞれの貼り合わせられる面は光学研磨されているものとする。図８（ａ）に示すように、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１０とＬＮ結晶基板１１とを近接保持した状態でＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１０を加圧手段１２により局所的に加圧すると、局所的な加圧により基板が歪んだ状態での密着状態が形成される。このとき逃げ溝１３は接合面に発生する応力を逃がす役割をするが、例えば加圧方法によっては図８（ｂ）に示すように、歪みを吸収した逃げ溝１３の両側で接合されるため非接合領域である逃げ溝１３部分でＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１０の歪みが大きく残留する。また、図８（ｃ）で示すように、逃げ溝１３の直上部分を加圧する場合には、逃げ溝１３で結晶格子が拡がった状態で接合される。このため、加圧を解除する際に図８（ｄ）に示すように逃げ溝１３部分から外側に向かって残留応力がかかることになる。この結果、直接接合基板は大きく反ることになることが見出された。
一方、例えば特開平０７−２８３３７９号公報では、２枚の基板を近接させて保持し、圧縮空気により加圧して貼り合わせる方法が提案されているが、前記技術と同様に加圧工程による歪みが発生し、直接接合基板の歪みを除去することが困難であった。
また、例えば特開２０００−２１６３６５号公報では、減圧下での自重による基板の貼り合わせ方法により、貼り合わせ面へのエア閉じ込めの回避と基板の歪みを低減するという提案がある。しかし、基板を保持するスペーサが基板の一部を局所的に支えているため、保持されている基板は本質的に自重による歪みを生じている。従って、貼り合わせの際に基板に歪みが発生しやすいという課題があった。
さらに、例えば特開平０６−２６７８０４号公報では、直接接合基板の反りを矯正する方法として応力を有する薄膜を貼り合わせ面に成膜する方法が提案されている。しかし、成膜工程により発生する基板歪みと、貼り合わせる基板の有する歪みの分布を一致させることは難しい。また貼り合わせ工程の際に基板ごとに歪みを観察し矯正可能な応力を有する薄膜を選択して管理する必要があるという課題があった。また、成膜される薄膜の材料や成膜方法などによっては膜表面の粗さ精度が悪くなり、直接接合が困難になるという課題があった。
また、前記いずれの方法においても、特に剛性が小さく変形しやすい材料からなる基板や、例えば厚み１ｍｍ以下のような薄い基板の貼り合わせにおいては歪みが顕著に現れるという課題があった。特に、酸化物材料からなる結晶基板の直接接合の場合においては、結晶基板の剛性が強いため、反りを持って直接接合されてしまった基板に外力を加えるなどの手法で修正することは非常に困難であり、歪みや反りの小さい基板を得るための貼り合わせ方法が求められていた。
【発明の開示】
上記課題を解決するために、本発明は第１の基板の表面と第２の基板の表面とを近接または部分接触させる工程と、前記第１の基板の表面と前記第２の基板の表面との間に揮発性の液体を供する工程と、前記揮発性の液体を気化させて基板を貼り合わせる工程とからなる基板貼り合わせ方法を提供するものである。
本方法においては、前記揮発性の液体の介入により基板間の気泡の除去がなされ、貼り合わせられる面に気泡や空隙を残留させることなく、歪みの少ない貼り合わせ基板を得ることができる。従って、例えば、反りが０．１μｍ／ｍｍ以下（３インチウエハ基板全体で見たときの基板の反りは最大で８μｍ程度）であるような直接接合基板を得ることが可能になる。これにより、例えば直接接合基板を研磨加工して薄板化する場合に、研磨治具への均一な保持が容易になり、高い歩留まり率で機能性デバイスを得ることができる。
なお、本明細書において、貼り合わせ基板とは２枚の基板を接触させ、密着させただけの基板を意味し、直接接合基板とは前記貼り合わせ基板を熱処理などすることにより貼り合わせ面を物理的、化学的にさらに強固に接合させた基板を意味する。
本発明の目的、特徴、局面、及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】  図１は本発明の貼り合わせ方法の工程の一例を示す模式図であり、図１（ａ）はＭｇＯ：ＬＮ基板とＬＮ基板との貼り合わせる面を向かい合わせて保持する工程を示す図である。図１（ｂ）はＭｇＯ：ＬＮ基板とＬＮ基板とを近接させて保持し、揮発性の液体を供する工程を示す図である。図１（ｃ）は、ＭｇＯ：ＬＮ基板とＬＮ基板とを揮発性の液体を介して基板の密着状態を形成させる工程を示す図である。図１（ｄ）は揮発性液体の気化によりＭｇＯ：ＬＮ基板とＬＮ基板とを貼り合わせる工程を示す図である。
図２は、溝の垂直断面形状の一例を示す模式図である。
図３は、溝が形成されたＬＮ基板の溝の配置の一例を示す模式図である。
図４は貼り合わせる面にＴａ２Ｏ５からなる薄膜を堆積したＭｇＯ：ＬＮ基板とＬＮ基板とを貼り合わせた直接接合基板の例を示す模式図である。
図５（ａ）は本発明の方法により得られたＭｇＯ：ＬＮ基板とＬＮ基板との直接接合基板の干渉顕微鏡による反りの測定結果の一例である。図５（ｂ）は従来技術の方法により得られた、反りの大きな直接接合基板の干渉顕微鏡像の一例である。
図６（ａ）は、基板反りが０．１μｍ／ｍｍ以下の直接接合基板を薄板化研磨したときの干渉顕微鏡像による最終研磨厚み分布の一例である。図６（ｂ）は基板反りが０．５μｍ／ｍｍの直接接合基板を薄板化研磨したときの最終研磨厚み分布の一例である。図６（ｃ）は基板反りが１．０μｍ／ｍｍの直接接合基板を薄板化研磨したときの最終研磨厚み分布の一例である。
図７（ａ）はＭｇＯ：ＬＮ基板とＬＮ基板とを局所的加圧により密着固定する場合の基板内応力の発生状態を示す模式図である。図７（ｂ）は図７（ａ）の局所的加圧に加えてさらに別の部分を局所的に加圧することにより密着固定する際の基板内に発生する応力を示す模式図である。図７（ｃ）は図７（ａ）及び図７（ｂ）の局所的加圧を行った場合に発生する最終的に貼り合わされた基板の歪み状態を示す模式図である。
図８（ａ）は、ＭｇＯ：ＬＮ基板と逃げ溝を形成したＬＮ基板とを局所的加圧により密着固定する場合の基板内応力の発生状態を示す模式図である。図８（ｂ）は図８（ａ）の局所的加圧を行った場合に発生する貼り合わされた基板の歪み状態を示す模式図である。図８（ｃ）はＭｇＯ：ＬＮ基板と逃げ溝を形成したＬＮ基板とを逃げ溝の上部付近の局所的加圧により密着固定する場合の基板内応力の発生状態を示す模式図である。図８（ｄ）は前記図８（ｃ）の局所的加圧を行った場合に発生する最終的に貼り合わされた基板の歪み状態を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明は第１の基板の表面と第２の基板の表面とを近接または部分接触させる工程と、前記第１の基板の表面と前記第２の基板の表面との間に揮発性の液体を供する工程と、前記揮発性の液体を除去させて基板を貼り合わせる工程とからなることを特徴とする基板貼り合わせ方法である。
前記揮発性の液体が２枚の基板の間に供されることにより気泡が除去され、貼り合わせる面に気泡や空隙が残留しなくなる。また、基板自体を実質的に加圧することなく揮発性の液体の界面張力により２枚の基板を密着させるため歪みの小さい貼り合わせ基板を得ることができる。その結果、例えば光学素子である光導波路型素子などのような機能性デバイスを高品質に得ることができる。また、それらを量産する場合の歩留まり率が高くなるなどの優れた効果を実現できる。
本発明における第１の基板と第２の基板とは貼り合わせ基板の貼り合わせられるそれぞれの基板を意味する。それぞれの基板については既に貼り合わせられ、複層化された基板や、部分的に薄膜が形成されている、あるいは回路が形成されている基板であってもよい。従って、直接接合基板の製造に適した一組の基板であれば特に限定されない。
本発明における第１の基板及び第２の基板の材質としては、ガラス、半導体、強誘電体、圧電セラミックスなどとして用いられる各種無機材料などが挙げられ、同種または異種の基板と組み合わせて用いられる。例えば、ＬｉＮｂｘＴａ（１−ｘ）Ｏ３結晶（０≦ｘ≦１）、ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３結晶、ＬｉＴａＯ３結晶、サファイアなどの各種酸化物などが挙げられる。さらに、これらの中でもＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３結晶、ＬｉＮｂｘＴａ（１−ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）結晶などの酸化物結晶基板は光学デバイスなどに有用であり、その直接接合する基板として好ましく用いられる。
第１の基板及び第２の基板の厚みとしては特に限定されない。工程上の周辺環境（治具、支持台など）の要因による歪発生を防止するために、いずれかの基板は厚みが０．１ｍｍ以上であることが好ましい。例えば、上記酸化物結晶基板では１ｍｍ厚のものを使用することができる。また、本発明では第１の基板と第２の基板の厚みの比が大きく、かつ厚い方の基板の貼り合せる表面の平坦性が十分に得られていることが好ましい。このような厚みの異なる基板を用いることにより歪発生をさらに低減することができる。
また第１の基板及び第２の基板の形状は円板状、矩形状など特に限定されない。その大きさとしては例えば、直径３〜５インチの円板や、四角形状の基板では、一辺が１０〜１５０ｍｍのものを好適に用いることができる。
なお、本発明においては、第１の基板の表面と第２の基板の表面に貼り合わせに適した表面平滑性を与えるために、さらに基板の少なくとも１方、好適には両方が予め平滑処理された基板であることが好ましい。
平滑面は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）表面形状測定装置により測定される表面粗さが１０ｎｍＲａ以下の面であることが好ましく、さらには５ｎｍＲａ以下の面であることがより好ましい。前記表面粗さが、１０ｎｍＲａより大きいと表面の凹凸の影響で直接接合が困難になる傾向がある。このような平滑面は機械研磨やさらには鏡面研磨などにより得ることができる。これらの中では高い平滑性が得られる鏡面研磨を行うことが好ましい。
さらに、本発明においては、第１の基板の表面と第２の基板の表面に揮発性の液体が広がりやすくなる性質を付与するために、揮発性の液体を供給する前に親水性処理する工程を付与してもよい。親水性処理をすることにより基板の表面に存在する揮発性液体の分子間力が互いに影響を及ぼす距離に近づくと強い吸着状態を形成することが可能になる。
親水性処理としては、具体的には例えば、ＵＶ照射、プラズマによる表面処理、アンモニア水：過酸化水素水：純水の混合溶液によるアンモニア過水処理の方法などが挙げられるが、表面の親水性を高める処理方法であれば特に限定されない。これらの中では比較的簡便な装置（ヒータ、ドラフト、アンモニア水、過酸化水素水、純水など）で処理可能であり、量産性に優れた手法であるという利点からアンモニア過水処理が好ましい。
なお、本発明における基板の表面の親水性としては基板表面に水滴を２０℃で、１〜１０μＬ滴下した際に形成される液滴の基板表面との接触角が２０度以下であることが好ましい。接触角が２０度を超える場合には親水性処理が不十分となり、貼り合わせ状態の形成が困難となる傾向がある。
次に本発明では第１の基板の表面と前記第２の基板の表面とを近接または部分接触させる工程を設ける。本工程における近接または部分接触とは、２枚の基板間の間隔が非常に接近しており、場合によっては部分的に接触している状態を意味する。具体的には、近接の場合数μｍ〜数十μｍの隙間を有する状態で両基板を保持する。ただし、本発明で用いられる揮発性液体を前記２枚の基板間に介在させるに足る間隔であれば特に限定されない。部分接触としては例えば、第１の基板と第２の基板が一部分のみで接触している状態、複数部分で接触している状態などが挙げられる。このような部分接触は上方の基板を自重で下方の基板上に載置することにより得られる。この場合、鏡面研磨された酸化物結晶基板同士では間隙は１０μｍ未満となる。なお、第１の基板と第２の基板は同等の大きさである必要はない。直接接合しようとする一方の基板の一部のみが近接または部分的に接触していれば足りる。
前記第１の基板の表面と前記第２の基板の表面とを近接または部分接触させる方法は特に限定されず、一方の基板を吸着保持手段を用いて支持しておき、もう一方の基板に近接させてから吸着保持を解放し静置する方法などが挙げられる。
なお、第１の基板と第２の基板との配置の方向は特に限定されないが、直接接合するために前記２枚の基板の結晶軸方向をあわせる方が好ましい。
次に、本発明では第１の基板の表面と第２の基板の表面との間に揮発性液体を供する工程を行う。本工程は、第１の基板の表面と第２の基板の表面とを近接又は部分接触した状態で２枚の基板の間に揮発性の液体を介在させることにより、基板間の気泡や空隙を除去する。また、液体の蒸発により基板の加圧を本質的に必要とすることなく２枚の基板を密着させることができる。
揮発性の液体を供する手段は特に限定されない。ただし、上方の基板を下方の基板に近接あるいは一部接触した状態で保持し、その間隙に向けてノズルから揮発性の液体を滴状に押出し、基板間に毛細管現象により液体を供した後、上方の基板の保持を開放して上方の基板の自重により液体を介して接触状態を形成することが好ましい。また、上記のように上方の基板を保持することなく自重により下方の基板上に載置して、基板間に空気による間隙を形成して部分接触状態とし、その間隙に同様に揮発性の液体を供してもよい。このような状態で親和性の液体が供給されると基板間の空気が良好に排出され、気泡の痕が残りにくい。あるいはシリンジ、スポイドなどを用いて強制的に注入することもできる。
本発明における揮発性液体は気化の工程により基板間に残存しないものであれば特に限定されない。好ましくは１気圧での沸点が１００℃以下の液体である。このような揮発性の液体として、例えば有機溶剤、水、水と有機溶剤の混合物などがあげられる。さらに具体的には、例えば水、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン系有機溶剤、メタノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール系有機溶剤、エチルエーテルなどのエーテル系有機溶剤、クロロホルム、四塩化炭素、１，１，１−トリクロルエタン、トリクロルエチレンなどの含塩素系有機溶剤、ノルマルヘキサンなどの直鎖状炭化水素の他二硫化炭素、酢酸イソプロピル、酢酸エチル、ガソリン、石油エーテル、石油ナフサ、石油ベンジンなどが単独または混合して用いることができる。これらの中では有機溶剤、特にアセトンが酸化物結晶基板に対して容易に広がり、すばやく蒸発するという点から好ましい。なお、基板によって有機溶剤を用いることができない場合は揮発性の液体で気化が可能であれば無機溶剤を使用すればよい。
また、本発明における液体の注入量としては基板間の間隙にもよるため、液体と基板の選択により界面張力の差により液の広がり方を考慮して本発明の効果を損なわない範囲で基板面全体に広がるよう適宜供給すればよい。
一例としては貼り合わせる面積がＳ（ｃｍ２）である場合、供する液量はＳ（ｃｍ２）×０．００１（ｃｍ）以上でＳ（ｃｍ２）×０．０１（ｃｍ）以下であるのが好ましい。Ｓ（ｃｍ２）×０．００１（ｃｍ）未満の場合には液量が少なすぎて基板面を十分に覆うことが出来なくなる傾向がある。一方、液量がＳ（ｃｍ２）×０．０１（ｃｍ）を超える場合には供した液体を完全に気化するのに長時間を要する傾向がある。
本発明では次に基板間に供した揮発性の液体を気化されることにより液体を基板間から除去し、第１の基板と第２の基板が貼り合わされる。液体を効率よく気化させるためには、必ずしも常温、常圧状態で行われる必要はない。本発明の効果を損なわない範囲で加熱、減圧下で効率よく液体を気化させてもよい。例えば、揮発性の液体としてアセトンを用いる場合には、温度２０〜５０℃、常圧または減圧下で気化させることが好ましい。製造を考慮すれば常温、常圧下で気化を行うことが好ましい。特に、高温では気化工程の短縮化を図ることはできるが、気泡の痕跡が基板上に残りやすいため、常温での気化が望まれる。気化の時間も使用する揮発性液体の気化温度や圧力に依存する。例えば上記アセトンを揮発性液体として供給し、３インチウェハの基板で１０μｍ未満の基板間の間隙とした場合、常温、常圧下の気化で２時間両基板を接触させる状態を維持すればよい。
本発明の揮発性液体を気化する工程では、両基板を接触させるために加圧工程を実質的に設けていない。従って、上方の基板を保持しない場合は自重で下方の基板と揮発性の液体を介して接している。そして、揮発性の液体が気化することにより基板同士の接触状態が形成されることとなる。このため、基板間に歪を生じさせる応力を極めて小さくすることが可能となる。
ここで、本発明における前記揮発性の液体を供した後、揮発性の液体の蒸発による貼り合わせ基板の密着状態の形成について詳しく述べる。
本発明の方法によれば、近接又は部分接触させた基板間に揮発性の液体を供することにより、液体と基板との間に働く引力を利用して基板同士が引き寄せられる。そして両基板は揮発性の液体の蒸発に伴って基板間で密着状態を形成する。このため基板を密着状態にするための力は非常に小さく、また液体が介入する全面に渡って非常に均一に作用する。この結果、歪みの小さな貼り合わせ基板を容易に得ることができる。
一般に、液体の表面張力は液体内部の分子間力により発生するものであり、固体上における液体の濡れ性は表面張力の大きさによる。すなわち、例えば水銀などのように表面張力の大きな液体をガラス板上に滴下した場合には液体はほぼ球状になり、ガラス板表面に拡がることはない。
一方、水やアセトンなどはガラス板や酸化物結晶基板上で拡がりやすく濡れ性が高い。濡れ性が高いということは固体との引力（付着力）が大きいことを意味する。従って近接させた２つの基板間に濡れ性の高い液体を注入した場合、液体は面内全体に素早く拡がり、２枚の基板どうしを互いに引きつけ密着状態を形成させることができる。
本発明の基板貼り合わせ方法においては、揮発性の液体の蒸発とともに基板間の距離は徐々に小さくなり、分子間力が作用する基板間距離を容易に形成させることができる。このとき基板間距離が小さくなる過程においては、受ける力が小さくかつ均一であるため、局所的な歪みの発生が抑えられ、歪みの非常に小さな貼り合わせ基板を得ることができる。
本発明においては、貼り合わせる面に供した揮発性の液体の除去を促進し、貼り合わせ面上に残留した揮発性の液体を効率よく離脱させること及び光導波路の形成などを目的として、第１の基板の表面と第２の基板の表面の少なくとも一方の基板の表面に溝を形成してもよい。
前述した従来技術のような加圧により貼り合わせる面を密着させる方法においては、貼り合わせる面に形成された溝は、応力の局所的な緩和の役割は果たすが、得られる直接接合基板全体としては歪みの要因になりうる。一方、本発明の方法である液体の表面張力を利用する基板貼り合わせ方法においては、本質的に外からの加圧による歪みの発生がないので溝を形成した場合にも、歪みの小さな貼り合わせ基板を得ることができる。
形成される溝の断面形状としては、図２（ａ）〜（ｄ）のように例えば三角形状、正方形、長方形、台形などの四角形状、円形状、楕円形状など特に限定されない。なお、図２中、２１は第１の基板、２２は第２の基板、２３は形成される溝である。また、溝２３はすべての形状が同一である必要はない。例えば目的に応じて溝が複数本数形成されている場合には、それぞれの溝の形状は目的に応じて異なっていてもよい。深さの違う２種以上の断面形状の溝なども設けてもよい。
また、溝の深さについても、目的に応じて選択することができ、一本の溝に傾斜を設けて深さを連続的に徐々に大きくした溝や、一本の溝に段階的に複数の深さを持つような溝を設けてもよい。例えば、基板の外周部に向かって深さを深くしていくことにより、揮発性の液体を基板内部に毛細管現象により均一に拡散することができるとともに、効率よく蒸発させ除去することができる。
なお、溝の幅としては１００μｍ以下、溝の深さとしては０．１μｍ以上であるのが好ましい。上記範囲外であると直接接合基板を研磨により薄板化する際に溝部分が変形する傾向がある。このような変形により、例えば光導波路デバイスを作製した場合、伝搬ロスが増大する傾向がある。
前記溝は揮発性の液体などを除去するために溝の末端の少なくとも一箇所以上は基板の末端まで達していることが好ましい。
溝の形成においては、貼り合わせられる面に対して溝が一部分に偏らないことが好ましい。具体的には第１の基板の表面又は第２の基板の表面とが貼り合わせられる面内に仮想中心線を引いた場合、溝が前記仮想中心線に対してほぼ対称構造に形成されるように、面内にバランスよく配置されているのが好ましい。ここで、仮想中心線とは溝の配置パターンをほぼ線対称にすることができるような中心線をいう。
複数本数の溝が形成されている場合において、溝の形成部分が基板上の面内で偏っている場合には、面内の部分で接触面積に偏りを生じることになり、歪が生じやすくなる傾向にある。
なお、前記基板の表面における溝の配置としては、ドット状、縞状、格子状など特に限定されない。ただし、これらの中では接合した基板の反りの応力が分散されうることから格子状が好ましい。
溝の形成が面内で偏ることなく、バランスのよい配置である場合には局所的な歪みが生じた場合においても、基板全体で見た場合の歪みの発生が低減される効果がある。具体的には、例えば図３に示すような格子状の溝であって、前記溝の深さ、幅が同じである、すなわち垂直断面形状が同じであるような場合には歪みが小さくなる。なお、図３は溝の配置パターンの一例を示す模式図であり、図３において１４は前記第１又は第２の基板であり、１５は格子状に形成された溝である。
さらに、第１の基板の表面と第２の基板の表面においては少なくともいずれか一方の基板の表面に、誘電体材料または金属材料からなる薄膜が形成されていてもよい。一般に、薄膜は高精度で均一な膜厚制御が可能である。また特に誘電体は材料の選択により様々な屈折率や吸収係数が実現可能なため、直接接合基板の作製方法として誘電体薄膜を介した直接接合は好ましい。特に光導波路型の光学デバイスにおいては導波光に対して低ロスな材料を選択することが可能となる。例えば接着による接合基板から光学素子を作製する方法に比べて、光導波路と接する部分に誘電体薄膜を用いた直接接合基板を利用する方法が有効である。
成膜した基板を従来技術である加圧により密着させる場合には、成膜工程により発生する基板の歪みと、貼り合わせる基板どうしの特性（基板厚みや形状、材料特性の違いなど）により発生する歪みの分布を一致させることが必要であった。しかしながら、本発明の液体の表面張力を利用する基板貼り合わせ方法においては、本質的に外からの加圧による歪みの発生がない。従って、成膜した基板においても歪みの分布を一致させることができるため、歪みを小さくすることが可能である。特に成膜時に発生する歪みは成膜条件によって制御できるため、歪みの小さい貼り合わせ基板を得ることができる。
薄膜としては、ＳｉＯ２やＳｉＮ、低融点ガラス、Ｔａ２Ｏ５などの金属酸化物などをスパッタリングなどにより薄膜を形成させる方法などがあげられる。薄膜の膜厚としては１０〜４００μｍが好ましい。
本発明の方法により得られる貼り合わせ基板は、さらに密着固定強度を増すために加熱処理される。この加熱処理により、より強固に接合された貼り合わせ基板（直接接合基板）となる。熱処理方法はオーブンなどによる方法が用いられるが、特に限定されない。加熱条件としては、急激に昇温した場合には歪みが生じやすくなるため、５０〜５００℃／時で昇温するのが好ましい。また、基板の材料によって異なるが、通常例えば３００〜１０００℃、好ましくは３５０〜８００℃まで昇温し、最高温度で１〜３時間程度保持した後、加熱をやめ徐々に冷却していくのが好ましい。本発明の方法により得られる直接接合基板は加熱処理工程を施しても、低歪み性、低反り性を維持することができる。
本発明の貼り合わせ基板から得られる直接接合基板の歪みの大きさは、一例として、例えば厚さ０．５〜１．０ｍｍの３インチ基板サイズにおいては０．１μｍ／ｍｍ以下を達成することができる。このため高精度なプロセスを用いたデバイス作製に対応することができる。
このようにして得られた歪み、反りの小さい直接接合基板は光導波路素子などの光学デバイス素子や機能性デバイス素子などの用途に好ましく用いられる。
以下に、本発明の実施態様についてさらに具体的に説明する。ここでは、基板貼り合わせプロセスとして酸化物誘電体結晶基板の直接接合を例として、直接接合する２つの基板として強誘電体結晶であるＬＮ結晶基板およびＭｇＯ：ＬＮ結晶基板を用いた場合を例に説明するが、本発明は本構成に限定されるものではない。
（実施の形態１）
実施の形態１で、本発明の方法を用いた貼り合わせ基板及び直接接合基板の基板歪み、および反りの非常に小さな直接接合基板の有効性について説明する。
なお、本実施の形態においては、基板歪みとは、高平坦度（例えば直径５０ｍｍの面内で１５０ｎｍ以下の平坦性を確保した状態）を有する外部参照面に対して、基板の表面の平坦性が無方向に変化している状態を意味する。また基板反りとは基板歪みの蓄積により外部参照面に対して基板が湾曲している状態を意味する。
以下に本発明の基板貼り合わせ方法、貼り合わせ基板、及び、直接接合基板について具体的に説明する。
図１に本発明の工程において、揮発性の液体を注入しその表面張力により基板を互いに引き寄せて密着状態を形成する工程を示す。図１（ａ）〜図１（ｄ）において３はＸカットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板（径：３インチφ，厚み：０．５ｍｍ，表面粗さ：５ｎｍＲａ以下，基板反り：０．１μｍ／ｍｍ以下）、４はＸカットのＬＮ結晶基板（径：３インチφ，厚み：１．０ｍｍ，表面粗さ：５ｎｍＲａ以下，基板反り：０．１μｍ／ｍｍ以下）、５は液体注入手段として用いるノズル、６は揮発性の液体であるアセトンである。
前記ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３とＬＮ結晶基板４とのそれぞれ貼り合わせられる面は光学（鏡面）研磨がされている。なお、本実施の形態においては揮発性の液体としてアセトンを選んだが、例えば水やアルコールを用いた場合においても同様の効果が得られる。ただし、短時間で密着状態を形成するには常温で蒸発速度の速いアルコールやアセトン等の有機溶剤を用いるのが好ましい。
本実施の形態で示す基板貼り合わせ方法では、まず、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３の貼り合わせる面と、ＬＮ結晶基板４の貼り合わせる面とを親水性処理する。具体的には、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３とＬＮ結晶基板４のそれぞれの貼り合わせる面にアセトン超音波洗浄を施した後にアンモニア水：過酸化水素水：純水＝１：１：６の混合溶液に１５分以上浸し、純水でリンスした後乾燥処理を行う。
その後、図１（ａ）に示すように、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３とＬＮ結晶基板４の結晶軸方向をあわせた状態で保持し、親水性処理をしたＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３の貼り合わせられる面とＬＮ結晶基板４の貼り合わせられる面とを近接させる。この状態では基板の密着状態は形成されておらず、貼り合わせられる２枚の基板のそれぞれの歪みは互いに影響を及ぼさない。また、２枚の基板の貼り合わせられる面同士が完全に平行でない限り、例えば図１（ａ）中の上部に配置されたＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３の保持を解除した場合においても基板間に空隙が生じるため基板の密着状態はほとんど生じない。本実施の形態では、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３をＬＮ結晶基板４上に配置し揮発性液体を供給した後、以下に述べるように上基板３の保持を解除する。従って、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３は自重でＬＮ結晶基板４と揮発性の液体を介して対向することとなる。
次に図１（ｂ）に示すように、ノズル５を用いて基板の貼り合わせる面内にアセトン６を２００μＬ注入する。近接された基板間にアセトン６が瞬時に拡がり、図１（ｃ）に示すように１０μｍ未満の間隙でアセトン６を介した密着状態が形成される。この状態において、常温、常圧下で基板の保持を解除するとアセトン６の気化とともに基板間距離は小さくなり、最終的には図１（ｄ）に示されるような中間に介在物を有さない貼り合わせ基板が得られる。
得られる貼り合わせ基板は密着固定強度を増すためにさらに加熱処理することができる。本発明により得られる貼り合わせ基板は加熱処理によっても歪みの発生や増大が無い。熱処理にはオーブンを用い、接合基板の剥離や急速加熱による破損を防止するため２５℃から５００℃まで昇温速度１００℃／ｈで加熱し、５００℃で１時間保持した後、下温する。このようにして直接接合基板が得られる。
ここで、本発明の実施の形態１で得られるＭｇＯ：ＬＮ結晶基板とＬＮ結晶基板との直接接合基板の歪みの測定結果の一例を示す。図５（ａ）において１はＸカットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板、２はＸカットのＬＮ結晶基板である。また、図５（ａ）には直接接合基板の干渉顕微鏡観察像が示されている。
歪みの評価は干渉顕微鏡像観察で行われる。干渉顕微鏡像観察は前述のように１５０ｎｍ以下の精度の高平坦度を有する外部参照面に対する測定基板表面の平行度を視覚的に観察することができる。これにより基板反りの大きさを評価できる。
干渉顕微鏡像観察において、波長６３３ｎｍのレーザー光源を用いて参照面を透過して測定すべき物体表面を照明し、参照面及び物体表面からの反射光の干渉状態から参照面に対する物体表面の傾斜（＝物体面の平坦度）を測定できる。
得られる干渉顕微鏡像における干渉縞の隣り合う明部から明部（または暗部から暗部）までの光路差は約０．３μｍである。従って、測定すべき直接接合基板が完全に反りのない場合には、物体を保持しているステージの角度を調整することにより、物体表面を参照面に対して完全平行な状態にして干渉縞の無い観察像を得ることができる。
なお、反りの大きさは、直接接合基板表面内の任意のＡ点からＢ点まで移動するときに、Ａ点及びＢ点における参照面からの距離の差を測定し、１ｍｍの位置ずれに対する参照面から直接接合基板表面までの距離のずれ（μｍ／ｍｍ）で評価する。
具体的には干渉顕微鏡観察像として観察像中心から同心円状に２０本の干渉縞が観察された場合、干渉縞１本あたりの光路差、すなわち参照面からの距離の差が０．３μｍ生じているので観察像中心部に対して周辺部は６μｍ程度反っているということがわかる。このとき観察視野の大きさが例えばφ５０ｍｍであるとすると、基板の反りの大きさは０．１２μｍ／ｍｍとなる。
比較のため、図５（ｂ）には従来の基板貼り合わせ方法を用いて作製した直接接合基板の干渉顕微鏡像を示す。図５（ｂ）で観察された基板の基板反りの大きさは約０．８μｍ／ｍｍであった。これは３インチウエハ全体で見ると６０μｍ以上という非常に大きな基板反りに相当する。図５（ａ）の干渉顕微鏡観察像に示されるように、本発明の基板張り合わせ方法を用いて作製した直接接合基板の反りは３インチ基板サイズにおいて５μｍ以下（０．１μｍ／ｍｍ以下）と非常に小さく、高精度プロセスを用いたデバイス作製に対応できる。
実施の形態１の別の例としては、貼り合わせる基板の少なくとも一方の基板の接合面に溝を形成した場合にも、同様の歪みの小さな直接接合基板を得ることができる。貼り合わせる面に形成される溝は、貼り合わせる面に供された揮発性の液体の除去を促進する。例えば前記加熱処理工程においても、接合面上の水分子や残留したアセトンなどを効率よく直接接合基板から離脱させることができるという効果もある。従来技術では貼り合わせる面に形成された溝は、加圧工程において局所的な応力を緩和する役割を果たしていた。これは直接接合基板全体としては歪みの要因になっていた。しかしながら、本発明の基板貼り合わせ方法においては、本質的に外からの加圧による歪みの発生がないので歪みの小さい貼り合わせ基板を得ることができる。特に、溝の形成方向、幅、長さ、深さが面内でほぼ均一なパターンとなるように、例えば図３に示すような格子状の溝であった場合には歪みの発生をより低減できる。なお、前記溝は、その機能から少なくとも１カ所以上が直接接合基板の側端面に達していることが望ましい。
実施の形態１のさらに別の例として、基板の貼り合わせる面に、誘電体材料もしくは金属材料からなる薄膜を堆積する場合の一例を図４に示す。図４において１６はＸカットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板、１７はＸカットのＬＮ結晶基板、１８はＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１６上に堆積した誘電体材料からなる薄膜である。本実施の形態では薄膜１８としてＴａ２Ｏ５を用い、厚みを１００〜４００ｎｍとする。薄膜１８はスパッタによりＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１６上に堆積する。
次に直接接合基板の応用としての光導波路デバイスを形成するため、後述するように直接接合基板の表面研磨・薄板化を行い最終的に結晶基板の厚みを３〜４μｍにまで薄くすることもできる。光導波路等の光学デバイスを目的とした薄板化研磨は厚み精度として±０．１μｍ以下という非常に高い精度が求められる。従って、直接接合基板の歪みや反りの大きさがデバイスの特性および作製歩留まりに直接影響する。本発明の方法により得られる歪みの小さな直接接合基板を用いることにより、研磨治具への均一な面保持が可能となる。例えば高精度研磨を３インチ基板のほぼ全面に渡って達成することができる。
（実施の形態２）
実施の形態２では本発明の方法により得られる直接接合基板について説明する。
半導体や酸化物材料からなる結晶基板の光導波路型デバイスは超小型の機能性デバイスを実現する有効な手段である。これまで、機能性結晶の光導波路化によりグレーティングデバイス、スイッチングデバイス、波長変換デバイスなど多くの小型機能性デバイスが研究開発されている。一般に、これらの結晶基板における光導波路形成は不純物ドープによる局所的な屈折率変化を利用している。しかし、不純物ドープにより、結晶基板の機能性（光透過率や非線形光学定数など）が低下することが多いため、新たな光導波路の形成方法が求められていた。前記課題を解決する手段として、直接接合技術、特に異種材料間の直接接合基板が検討されている。例えば、機能性材料からなる結晶基板とＳｉ基板とを直接接合した後、Ｓｉ基板を支持基台として機能性材料結晶基板を薄板化研磨し、リッジ形状加工を行うことにより、不純物ドープのない機能性材料からなる３次元光導波路が形成できる。
光導波路型機能性デバイスにおいて最も重要になるのは、光導波路を導波する光の伝搬定数の制御と均一性である。伝搬定数が不均一な場合にはデバイス特性が劣ることになる。例えばグレーティングデバイスに利用する場合、光導波路の伝搬方向に伝搬定数が変化するとグレーティングの実効的な周期構造が乱れるため、回折効率が劣化する。また光変調器などのスイッチングデバイスに利用する場合には、伝搬定数に分布が生じるとＳ／Ｎ比が大きく劣化する。
また、波長変換デバイスに代表される非線形光学デバイスに利用する場合には、伝搬定数が不均一な場合には位相整合条件の乱れを発生させ、変換効率を大幅に低下させる。このため従来の直接接合基板を用いた光導波路型デバイスでは、その応用範囲は限定され、また作製歩留まりも大きく影響していた。特にシングルモード光導波路を用いて伝搬定数により光制御を行うデバイスにおいては、伝搬定数の均一性に対する要求が厳しく、量産レベルでの特性確保が困難であった。
直接接合基板を用いた光導波路型デバイスにおいて基板の歪みや反りが問題となるのは、（Ａ）光導波路の形状、及び（Ｂ）光導波路への局所的な応力による屈折率分布の２点である。
第１の問題点は基板の歪みや反りが光導波路の形状に大きな影響を与えることである。上述したように直接接合基板を用いて光導波路型デバイスを製造する場合、薄板化研磨工程とリッジ加工工程が重要な工程となる。デバイス設計、デバイス特性及び歩留まり率の観点から、薄板化研磨工程では均一な厚みに研磨を行うことが重要である。従って、基板の平坦度を向上させることは重要である。
また、リッジ加工工程ではダイシングやドライエッチングなどの手法が採られるため、接合基板の平坦性は加工精度に大きな影響を与える。従って、直接接合基板の歪みや反りを低減させることは重要である。
反りと加工形状との相関を取るため３インチウエハのＬｉＮｂＯ３結晶基板と３インチウエハのＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３結晶基板との異種材料間の直接接合を検討した。試料として（１）実施の形態１に示した本発明の揮発性の液体を用いる貼り合わせ方法により、及び試料（２）、（３）として従来の加圧工程を含む方法により直接接合を行い、反りが（１）前記評価方法での測定限界の０．１μｍ／ｍｍ以下、（２）０．５μｍ／ｍｍ、（３）１．０μｍ／ｍｍの各直接接合基板を用意した。そして、薄板化研磨工程による加工形状の面内のバラツキを比較した。
なお、薄板化工程としては各直接接合基板をまず番手＃６００で厚み２０μｍ程度まで研磨した。続いて厚み１０μｍ程度までダイヤモンド砥粒（粒径：１μｍ）で研磨し、さらに厚み３〜４μｍまでコロイダルシリカ（粒径：０．０５〜０．１μｍ）で研磨した。
図６（ａ）から図６（ｃ）に、前記各接合基板を薄板化研磨したときの干渉顕微鏡観察像による研磨厚み分布を示す。図６（ａ）は反りが（１）０．１μｍ／ｍｍ以下の基板、図６（ｂ）は反りが（２）０．５μｍ／ｍｍの基板、図６（ｃ）は反りが（３）１．０μｍ／ｍｍの基板の干渉顕微鏡観察像である。反りが（３）１．０μｍ／ｍｍの基板に関しては、薄板化研磨工程での研磨ジグへの均一貼り合わせが困難であり、最終研磨厚みムラが大きかった。図６（ａ）〜（ｃ）からわかるように、直接接合基板の反りと薄板化研磨工程における最終研磨厚みムラには明確な相関があることがわかる。
デバイスサイズとして例えば光導波路伝搬方向に１０ｍｍ長の素子を得る場合、加工形状の観点からは、厚み分布として図６（ａ）もしくは図６（ｂ）のような状態が好ましい。また、量産時の歩留まり率の観点からは、図６（ａ）のような状態がさらに好ましい。すなわち、直接接合基板の反りとしては加工精度の観点からは０〜０．５μｍ／ｍｍ、量産時の歩留まり率の観点からは、０〜０．１μｍ／ｍｍであるのが好ましい。
また、上記の研磨により薄板化した各直接接合基板の８２０ｎｍの半導体レーザーからの光を波長４１０ｎｍの光へ波長変換効率を比較すると、（１）の０．１μｍ／ｍｍ以下の反りを有する直接接合基板を用いた場合には波長変換効率が３００〜３５０％／Ｗである。これに対し、（２）の０．５μｍ／ｍｍ以上の反りを有する直接接合基板を用いた場合には、波長変換効率が２００〜２８０％／Ｗとなる。また（３）の１．０μｍ／ｍｍの反りを有する直接接合基板を用いた場合には、波長変換効率が７０％／Ｗ以下となる。基板反りはこのような波長変換効率の違いとして現れる。
第２の問題は光導波路において局所的に応力が集中することにより、屈折率分布が発生することである。前記屈折率分布の発生はデバイス特性に影響を及ぼす。光導波路を形成する場合、基板の反りは応力により屈折率分布の変化を生じさせる。また例えば光導波路の伝搬方向、あるいは光導波路の深さ方向などの応力分布は、屈折率を実効的に変化させることも考えられる。特に光導波路伝搬方向の屈折率分布はデバイス特性を大幅に劣化させる。かかる観点からも本発明の本質的に加圧工程を有さない方法により貼り合わされた基板からなる直接接合基板は内部応力も極めて低減されているため好適に用いることができる。
ここで、光導波路型の非線形光学デバイスの例を挙げる。
例えば、周期状の分極反転構造を有する光導波路をＭｇＯ：ＬＮ結晶基板に形成させると高効率な波長変換素子が得られる。前記波長変換素子は、光導波路を伝搬する基本波を波長の異なる高調波に変換させることができるデバイスである。光導波路の全長において基本波と高調波の伝搬定数を一致させた前記波長変換素子は高効率で波長を変換させることができる。しかし、基板の反りによる局所的な応力の集中は屈折率に変化を生じさせる。前記屈折率の変化は伝搬定数に分布を生じさせ、波長の変換効率を低下させる。
また、波長変換効率の低下には、局所的な応力による屈折率変化に起因する周期状分極反転構造の周期性の乱れが含まれていることも考えられる。周期状分極反転構造は、例えば直接接合を行う前にフォトリソグラフィーとドライエッチングなどにより周期状パターンの電極を形成し、高電圧電界を印加することで得られる。この周期状分極反転構造は均一な伝搬定数を有する光導波路に対して設計されており、光導波路形状及び屈折率がデバイス長全体に渡って一定であることが前提となる。フォトリソグラフィープロセスは非常に高精度な周期パターンを形成させることができ、形成される周期状分極反転構造も均一周期である。しかしながら上述した応力により発現する屈折率分布があると、実効的な屈折率が光導波路内で（基板歪みや反りの状態に従って）ランダムに変化するため、周期構造の均一性が損なわれることも考えられる。いずれにしても、基板反りが素子の特性に大きく影響を与えていることがわかった。素子特性の観点からすると、基板反りが０〜０．５μｍ／ｍｍであることが望ましく、さらに面内均一性及び素子歩留まり率を考慮するならば、基板反りは０〜０．１μｍ／ｍｍであることが好ましい。
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、全ての局面において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【産業上の利用可能性】  本発明によれば誘電体材料、半導体材料、金属材料、セラミック材料など同種基板間または異種基板間の直接接合を利用するデバイス作製プロセスに適用可能である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成17年6月29日(2005.6.29)
【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】
第１の基板の表面と第２の基板の表面とを近接または部分接触させる工程と、前記第１の基板の表面と前記第２の基板の表面との間に揮発性の液体を供する工程と、前記揮発性の液体を気化させて基板を貼り合わせる工程とからなることを特徴とする基板貼り合わせ方法。
【請求項２】
前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一方の表面を親水性処理する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項３】
前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一方の表面が平滑処理されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項４】
前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一方の表面に溝が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項５】
前記溝が仮想中心線に対してほぼ対称構造になるように形成されていることを特徴とする請求項４記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項６】
前記溝の深さ、幅が前記基板の貼り合せる表面全てで実質的に同じになるように形成されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項７】
前記溝の垂直断面形状が２種類以上の形状を有することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項８】
前記溝の垂直断面積が前記基板の外周部に向かうほど連続的又は不連続的に大きくなっていることを特徴とする請求項４、請求項５または請求項７のいずれか１項に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項９】
前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一方の表面に、誘電体材料または金属材料からなる薄膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項１０】
前記揮発性の液体が、１気圧での沸点が１００℃以下の有機溶剤からなることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項１１】
前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一方の基板が酸化物結晶基板であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の基板張り合わせ方法。
【請求項１２】
前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一方の基板がＬｉＮｂｘＴａ（１−ｘ）Ｏ３結晶（０≦ｘ≦１）からなる基板であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の基板貼り合わせ方法を用いて得られる貼り合わせ基板。
【請求項１４】
請求項１３に記載の貼り合わせ基板を加熱処理することにより得られる直接接合基板。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス材料、半導体材料、誘電体材料、金属材料、セラミック材料などから選ばれる複数の基板を貼り合わせ、反りや歪みの非常に小さな直接接合基板を得るための基板貼り合わせ方法及びその方法を用いて得られる貼り合わせ基板並びに直接接合基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
接着剤などを用いずにガラス材料、半導体材料、強誘電体材料、金属材料、圧電セラミックス材料など様々な材料からなる複数の基板同士を強固かつ高精度に接合し、様々な特性を持つデバイスを実現する技術として直接接合技術が知られている。特に異種材料基板間の直接接合技術はその有用性が高い。
【０００３】
異種材料基板間の直接接合基板の例としては酸化物強誘電体結晶を用いた直接接合基板、ガラスとＬｉＮｂＯ３結晶基板（以下ＬＮ結晶基板ともいう）、ガラスとＬｉＴａＯ３結晶基板（以下ＬＴ結晶基板ともいう）などの直接接合基板が挙げられる。また、他の材料の例としては、半導体材料基板を直接接合することにより、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を作製する方法などが広く知られている。
【０００４】
例えばガラス材料基板、誘電体材料基板、金属材料基板、半導体材料基板などの異種材料基板間の直接接合基板は、貼り合わせられた直接接合基板の一方の基板を薄板化したのち、例えばリッジ加工して光導波路型素子として利用するなど、光学素子への応用などが期待されている。
【０００５】
一般に、光学素子などの機能性デバイスは直接接合基板に研磨やエッチングなどの加工を施して作製される。研磨やエッチングの工程においては、直接接合基板をプロセス装置に保持する際に直接接合基板が歪みや反りを有していると、直接接合基板の均一な保持を妨げ、加工精度が低下する。特に高い精度が必要な薄板化研磨や面積の大きいドライエッチングなどの際には、直接接合基板の歪みの大きさがデバイスの特性や製品の歩留まり率に大きく影響する。従って、高性能の機能性デバイスを得るためには、直接接合基板の貼り合わせ精度を高めることにより、歪みや反りを低減することが必要である。
【０００６】
ここで、従来の直接接合基板の製造方法の一例について説明する。
【０００７】
例えば、近接状態にした基板をわずかに加圧することにより局所的な密着状態を形成させ、密着領域の近傍をさらに加圧することにより密着領域を拡大させて全面密着させる方法がある。このとき貼り合わせる前の基板が歪みを有している場合、不均一な密着部分が直接接合基板に歪みを発生させ、貼り合わせ不良を生じさせる。
【０００８】
前記歪みの発生状態の模式図を図７に示す。図７（ａ）〜図７（ｃ）において、７はＸカットのＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３結晶基板（以下ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板ともいう）、８はＸカットのＬｉＮｂＯ３結晶基板、９は加圧手段である。ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板７とＬＮ結晶基板８との各接合面は光学研磨されているものとする。図７（ａ）に示すように、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板７とＬＮ結晶基板８とを近接保持した状態でＭｇＯ：ＬＮ結晶基板７の一部を加圧手段９により局所的に加圧する場合、局所的な加圧により基板が歪んだ状態で密着状態が形成される。すなわち、加圧部直下の接合面では加圧の中心から外側に向かって応力が生じるため、結晶格子が拡がった状態で密着する。この密着領域の近傍をさらに加圧すると、図７（ｂ）に示すように、新たな加圧部には加圧中心から外側に向かう力が加わり、すでに密着している部分には加圧時とは逆の結晶格子が縮む方向に応力が加わる。
【０００９】
一般に知られているように直接接合可能な貼り合わせ基板は、熱処理を加えない状態においても密着強度が高く、相当な力を加えても密着部分が剥離することはない。従って、前記歪みは密着部分に残留し、貼り合わせる基板の中央部から密着状態を形成し、基板の端に向かって密着領域を拡大した場合には、図７（ｃ）に示すように直接接合基板全体で見ると非常に歪んだ基板が形成されることになる。
【００１０】
前述のような貼り合わせ時に発生する歪みを低減し、さらに、機能性デバイスの量産時に接合不良による歩留まり率の低下を引き起こす気泡や空隙の除去を行う方法が提案されている。
【００１１】
例えば特開平０９−６３９１２号公報には、基板に逃げ溝を形成させることにより貼り合わされる面の気泡や空隙を除去し、あわせて加圧時に掛かる応力を逃げ溝により緩和させる方法が記載されている。しかし、例えば歪みを有した２枚の基板を接触させる際には、完全に密着させるために基板の一部分もしくは全体を加圧する工程が必要であるため、局所的な未接合領域は低減されるが、直接接合基板全体としての基板歪みが大きくなるという問題が明らかとなった。
【００１２】
この場合の歪み発生の様子を図８に基づき説明する。図８（ａ）〜図８（ｄ）において、１０はＸカットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板、１１は逃げ溝を形成したＸカットのＬＮ結晶基板、１２は加圧手段、１３は逃げ溝である。ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１０とＬＮ結晶基板１１のそれぞれの貼り合わせられる面は光学研磨されているものとする。図８（ａ）に示すように、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１０とＬＮ結晶基板１１とを近接保持した状態でＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１０を加圧手段１２により局所的に加圧すると、局所的な加圧により基板が歪んだ状態での密着状態が形成される。このとき逃げ溝１３は接合面に発生する応力を逃がす役割をするが、例えば加圧方法によっては図８（ｂ）に示すように、歪みを吸収した逃げ溝１３の両側で接合されるため非接合領域である逃げ溝１３部分でＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１０の歪みが大きく残留する。また、図８（ｃ）で示すように、逃げ溝１３の直上部分を加圧する場合には、逃げ溝１３で結晶格子が拡がった状態で接合される。このため、加圧を解除する際に図８（ｄ）に示すように逃げ溝１３部分から外側に向かって残留応力がかかることになる。この結果、直接接合基板は大きく反ることになることが見出された。
【００１３】
一方、例えば特開平０７−２８３３７９号公報では、２枚の基板を近接させて保持し、圧縮空気により加圧して貼り合わせる方法が提案されているが、前記技術と同様に加圧工程による歪みが発生し、直接接合基板の歪みを除去することが困難であった。
【００１４】
また、例えば特開２０００−２１６３６５号公報では、減圧下での自重による基板の貼り合わせ方法により、貼り合わせ面へのエア閉じ込めの回避と基板の歪みを低減するという提案がある。しかし、基板を保持するスペーサが基板の一部を局所的に支えているため、保持されている基板は本質的に自重による歪みを生じている。従って、貼り合わせの際に基板に歪みが発生しやすいという課題があった。
【００１５】
さらに、例えば特開平０６−２６７８０４号公報では、直接接合基板の反りを矯正する方法として応力を有する薄膜を貼り合わせ面に成膜する方法が提案されている。しかし、成膜工程により発生する基板歪みと、貼り合わせる基板の有する歪みの分布を一致させることは難しい。また貼り合わせ工程の際に基板ごとに歪みを観察し矯正可能な応力を有する薄膜を選択して管理する必要があるという課題があった。また、成膜される薄膜の材料や成膜方法などによっては膜表面の粗さ精度が悪くなり、直接接合が困難になるという課題があった。
【００１６】
また、前記いずれの方法においても、特に剛性が小さく変形しやすい材料からなる基板や、例えば厚み１ｍｍ以下のような薄い基板の貼り合わせにおいては歪みが顕著に現れるという課題があった。特に、酸化物材料からなる結晶基板の直接接合の場合においては、結晶基板の剛性が強いため、反りを持って直接接合されてしまった基板に外力を加えるなどの手法で修正することは非常に困難であり、歪みや反りの小さい基板を得るための貼り合わせ方法が求められていた。
【特許文献１】特開平０９−６３９１２号公報
【特許文献２】特開平０７−２８３３７９号公報
【特許文献３】特開２０００−２１６３６５号公報
【特許文献４】特開平０６−２６７８０４号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明は第１の基板の表面と第２の基板の表面とを近接または部分接触させる工程と、前記第１の基板の表面と前記第２の基板の表面との間に揮発性の液体を供する工程と、前記揮発性の液体を気化させて基板を貼り合わせる工程とからなる基板貼り合わせ方法を提供するものである。
【００１８】
本方法においては、前記揮発性の液体の介入により基板間の気泡の除去がなされ、貼り合わせられる面に気泡や空隙を残留させることなく、歪みの少ない貼り合わせ基板を得ることができる。従って、例えば、反りが０．１μｍ／ｍｍ以下（３インチウエハ基板全体で見たときの基板の反りは最大で８μｍ程度）であるような直接接合基板を得ることが可能になる。これにより、例えば直接接合基板を研磨加工して薄板化する場合に、研磨治具への均一な保持が容易になり、高い歩留まり率で機能性デバイスを得ることができる。
【００１９】
なお、本明細書において、貼り合わせ基板とは２枚の基板を接触させ、密着させただけの基板を意味し、直接接合基板とは前記貼り合わせ基板を熱処理などすることにより貼り合わせ面を物理的、化学的にさらに強固に接合させた基板を意味する。
【００２０】
本発明の目的、特徴、局面、及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２２】
本発明は第１の基板の表面と第２の基板の表面とを近接または部分接触させる工程と、前記第１の基板の表面と前記第２の基板の表面との間に揮発性の液体を供する工程と、前記揮発性の液体を除去させて基板を貼り合わせる工程とからなることを特徴とする基板貼り合わせ方法である。
【００２３】
前記揮発性の液体が２枚の基板の間に供されることにより気泡が除去され、貼り合わせる面に気泡や空隙が残留しなくなる。また、基板自体を実質的に加圧することなく揮発性の液体の界面張力により２枚の基板を密着させるため歪みの小さい貼り合わせ基板を得ることができる。その結果、例えば光学素子である光導波路型素子などのような機能性デバイスを高品質に得ることができる。また、それらを量産する場合の歩留まり率が高くなるなどの優れた効果を実現できる。
【００２４】
本発明における第１の基板と第２の基板とは貼り合わせ基板の貼り合わせられるそれぞれの基板を意味する。それぞれの基板については既に貼り合わせられ、複層化された基板や、部分的に薄膜が形成されている、あるいは回路が形成されている基板であってもよい。従って、直接接合基板の製造に適した一組の基板であれば特に限定されない。
【００２５】
本発明における第１の基板及び第２の基板の材質としては、ガラス、半導体、強誘電体、圧電セラミックスなどとして用いられる各種無機材料などが挙げられ、同種または異種の基板と組み合わせて用いられる。例えば、ＬｉＮｂｘＴａ（１−ｘ）Ｏ３結晶（０≦ｘ≦１）、ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３結晶、ＬｉＴａＯ３結晶、サファイアなどの各種酸化物などが挙げられる。さらに、これらの中でもＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３結晶、LｉＮｂｘＴａ（１−ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）結晶などの酸化物結晶基板は光学デバイスなどに有用であり、その直接接合する基板として好ましく用いられる。
【００２６】
第１の基板及び第２の基板の厚みとしては特に限定されない。工程上の周辺環境（治具、支持台など）の要因による歪発生を防止するために、いずれかの基板は厚みが０．１ｍｍ以上であることが好ましい。例えば、上記酸化物結晶基板では１ｍｍ厚のものを使用することができる。また、本発明では第１の基板と第２の基板の厚みの比が大きく、かつ厚い方の基板の貼り合せる表面の平坦性が十分に得られていることが好ましい。このような厚みの異なる基板を用いることにより歪発生をさらに低減することができる。
【００２７】
また第１の基板及び第２の基板の形状は円板状、矩形状など特に限定されない。その大きさとしては例えば、直径３〜５インチの円板や、四角形状の基板では、一辺が１０〜１５０ｍｍのものを好適に用いることができる。
【００２８】
なお、本発明においては、第１の基板の表面と第２の基板の表面に貼り合わせに適した表面平滑性を与えるために、さらに基板の少なくとも１方、好適には両方が予め平滑処理された基板であることが好ましい。
【００２９】
平滑面は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）表面形状測定装置により測定される表面粗さが１０ｎｍＲａ以下の面であることが好ましく、さらには５ｎｍＲａ以下の面であることがより好ましい。前記表面粗さが、１０ｎｍＲａより大きいと表面の凹凸の影響で直接接合が困難になる傾向がある。このような平滑面は機械研磨やさらには鏡面研磨などにより得ることができる。これらの中では高い平滑性が得られる鏡面研磨を行うことが好ましい。
【００３０】
さらに、本発明においては、第１の基板の表面と第２の基板の表面に揮発性の液体が広がりやすくなる性質を付与するために、揮発性の液体を供給する前に親水性処理する工程を付与してもよい。親水性処理をすることにより基板の表面に存在する揮発性液体の分子間力が互いに影響を及ぼす距離に近づくと強い吸着状態を形成することが可能になる。
【００３１】
親水性処理としては、具体的には例えば、ＵＶ照射、プラズマによる表面処理、アンモニア水：過酸化水素水：純水の混合溶液によるアンモニア過水処理の方法などが挙げられるが、表面の親水性を高める処理方法であれば特に限定されない。これらの中では比較的簡便な装置（ヒータ、ドラフト、アンモニア水、過酸化水素水、純水など）で処理可能であり、量産性に優れた手法であるという利点からアンモニア過水処理が好ましい。
【００３２】
なお、本発明における基板の表面の親水性としては基板表面に水滴を２０℃で、１〜１０μＬ滴下した際に形成される液滴の基板表面との接触角が２０度以下であることが好ましい。接触角が２０度を超える場合には親水性処理が不十分となり、貼り合わせ状態の形成が困難となる傾向がある。
【００３３】
次に本発明では第１の基板の表面と前記第２の基板の表面とを近接または部分接触させる工程を設ける。本工程における近接または部分接触とは、２枚の基板間の間隔が非常に接近しており、場合によっては部分的に接触している状態を意味する。具体的には、近接の場合数μｍ〜数十μｍの隙間を有する状態で両基板を保持する。ただし、本発明で用いられる揮発性液体を前記２枚の基板間に介在させるに足る間隔であれば特に限定されない。部分接触としては例えば、第１の基板と第２の基板が一部分のみで接触している状態、複数部分で接触している状態などが挙げられる。このような部分接触は上方の基板を自重で下方の基板上に載置することにより得られる。この場合、鏡面研磨された酸化物結晶基板同士では間隙は１０μｍ未満となる。なお、第１の基板と第２の基板は同等の大きさである必要はない。直接接合しようとする一方の基板の一部のみが近接または部分的に接触していれば足りる。
【００３４】
前記第１の基板の表面と前記第２の基板の表面とを近接または部分接触させる方法は特に限定されず、一方の基板を吸着保持手段を用いて支持しておき、もう一方の基板に近接させてから吸着保持を解放し静置する方法などが挙げられる。
【００３５】
なお、第１の基板と第２の基板との配置の方向は特に限定されないが、直接接合するために前記２枚の基板の結晶軸方向をあわせる方が好ましい。
【００３６】
次に、本発明では第１の基板の表面と第２の基板の表面との間に揮発性液体を供する工程を行う。本工程は、第１の基板の表面と第２の基板の表面とを近接又は部分接触した状態で２枚の基板の間に揮発性の液体を介在させることにより、基板間の気泡や空隙を除去する。また、液体の蒸発により基板の加圧を本質的に必要とすることなく２枚の基板を密着させることができる。
【００３７】
揮発性の液体を供する手段は特に限定されない。ただし、上方の基板を下方の基板に近接あるいは一部接触した状態で保持し、その間隙に向けてノズルから揮発性の液体を滴状に押出し、基板間に毛細管現象により液体を供した後、上方の基板の保持を開放して上方の基板の自重により液体を介して接触状態を形成することが好ましい。また、上記のように上方の基板を保持することなく自重により下方の基板上に載置して、基板間に空気による間隙を形成して部分接触状態とし、その間隙に同様に揮発性の液体を供してもよい。このような状態で親和性の液体が供給されると基板間の空気が良好に排出され、気泡の痕が残りにくい。あるいはシリンジ、スポイドなどを用いて強制的に注入することもできる。
【００３８】
本発明における揮発性液体は気化の工程により基板間に残存しないものであれば特に限定されない。好ましくは１気圧での沸点が１００℃以下の液体である。このような揮発性の液体として、例えば有機溶剤、水、水と有機溶剤の混合物などがあげられる。さらに具体的には、例えば水、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン系有機溶剤、メタノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール系有機溶剤、エチルエーテルなどのエーテル系有機溶剤、クロロホルム、四塩化炭素、1,1,1-トリクロルエタン、トリクロルエチレンなどの含塩素系有機溶剤、ノルマルヘキサンなどの直鎖状炭化水素の他二硫化炭素、酢酸イソプロピル、酢酸エチル、ガソリン、石油エーテル、石油ナフサ、石油ベンジンなどが単独または混合して用いることができる。これらの中では有機溶剤、特にアセトンが酸化物結晶基板に対して容易に広がり、すばやく蒸発するという点から好ましい。なお、基板によって有機溶剤を用いることができない場合は揮発性の液体で気化が可能であれば無機溶剤を使用すればよい。
【００３９】
また、本発明における液体の注入量としては基板間の間隙にもよるため、液体と基板の選択により界面張力の差により液の広がり方を考慮して本発明の効果を損なわない範囲で基板面全体に広がるよう適宜供給すればよい。
【００４０】
一例としては貼り合わせる面積がＳ（ｃｍ２）である場合、供する液量はＳ（ｃｍ２）×０．００１（ｃｍ）以上でＳ（ｃｍ２）×０．０１（ｃｍ）以下であるのが好ましい。Ｓ（ｃｍ２）×０．００１（ｃｍ）未満の場合には液量が少なすぎて基板面を十分に覆うことが出来なくなる傾向がある。一方、液量がＳ（ｃｍ２）×０．０１（ｃｍ）を超える場合には供した液体を完全に気化するのに長時間を要する傾向がある。
【００４１】
本発明では次に基板間に供した揮発性の液体を気化されることにより液体を基板間から除去し、第１の基板と第２の基板が貼り合わされる。液体を効率よく気化させるためには、必ずしも常温、常圧状態で行われる必要はない。本発明の効果を損なわない範囲で加熱、減圧下で効率よく液体を気化させてもよい。例えば、揮発性の液体としてアセトンを用いる場合には、温度２０〜５０℃、常圧または減圧下で気化させることが好ましい。製造を考慮すれば常温、常圧下で気化を行うことが好ましい。特に、高温では気化工程の短縮化を図ることはできるが、気泡の痕跡が基板上に残りやすいため、常温での気化が望まれる。気化の時間も使用する揮発性液体の気化温度や圧力に依存する。例えば上記アセトンを揮発性液体として供給し、３インチウェハの基板で１０μｍ未満の基板間の間隙とした場合、常温、常圧下の気化で２時間両基板を接触させる状態を維持すればよい。
【００４２】
本発明の揮発性液体を気化する工程では、両基板を接触させるために加圧工程を実質的に設けていない。従って、上方の基板を保持しない場合は自重で下方の基板と揮発性の液体を介して接している。そして、揮発性の液体が気化することにより基板同士の接触状態が形成されることとなる。このため、基板間に歪を生じさせる応力を極めて小さくすることが可能となる。
【００４３】
ここで、本発明における前記揮発性の液体を供した後、揮発性の液体の蒸発による貼り合わせ基板の密着状態の形成について詳しく述べる。
【００４４】
本発明の方法によれば、近接又は部分接触させた基板間に揮発性の液体を供することにより、液体と基板との間に働く引力を利用して基板同士が引き寄せられる。そして両基板は揮発性の液体の蒸発に伴って基板間で密着状態を形成する。このため基板を密着状態にするための力は非常に小さく、また液体が介入する全面に渡って非常に均一に作用する。この結果、歪みの小さな貼り合わせ基板を容易に得ることができる。
【００４５】
一般に、液体の表面張力は液体内部の分子間力により発生するものであり、固体上における液体の濡れ性は表面張力の大きさによる。すなわち、例えば水銀などのように表面張力の大きな液体をガラス板上に滴下した場合には液体はほぼ球状になり、ガラス板表面に拡がることはない。
【００４６】
一方、水やアセトンなどはガラス板や酸化物結晶基板上で拡がりやすく濡れ性が高い。濡れ性が高いということは固体との引力（付着力）が大きいことを意味する。従って近接させた２つの基板間に濡れ性の高い液体を注入した場合、液体は面内全体に素早く拡がり、２枚の基板どうしを互いに引きつけ密着状態を形成させることができる。
【００４７】
本発明の基板貼り合わせ方法においては、揮発性の液体の蒸発とともに基板間の距離は徐々に小さくなり、分子間力が作用する基板間距離を容易に形成させることができる。このとき基板間距離が小さくなる過程においては、受ける力が小さくかつ均一であるため、局所的な歪みの発生が抑えられ、歪みの非常に小さな貼り合わせ基板を得ることができる。
【００４８】
本発明においては、貼り合わせる面に供した揮発性の液体の除去を促進し、貼り合わせ面上に残留した揮発性の液体を効率よく離脱させること及び光導波路の形成などを目的として、第１の基板の表面と第２の基板の表面の少なくとも一方の基板の表面に溝を形成してもよい。
【００４９】
前述した従来技術のような加圧により貼り合わせる面を密着させる方法においては、貼り合わせる面に形成された溝は、応力の局所的な緩和の役割は果たすが、得られる直接接合基板全体としては歪みの要因になりうる。一方、本発明の方法である液体の表面張力を利用する基板貼り合わせ方法においては、本質的に外からの加圧による歪みの発生がないので溝を形成した場合にも、歪みの小さな貼り合わせ基板を得ることができる。
【００５０】
形成される溝の断面形状としては、図２（ａ）〜（ｄ）のように例えば三角形状、正方形、長方形、台形などの四角形状、円形状、楕円形状など特に限定されない。なお、図２中、２１は第１の基板、２２は第２の基板、２３は形成される溝である。また、溝２３はすべての形状が同一である必要はない。例えば目的に応じて溝が複数本数形成されている場合には、それぞれの溝の形状は目的に応じて異なっていてもよい。深さの違う２種以上の断面形状の溝なども設けてもよい。
【００５１】
また、溝の深さについても、目的に応じて選択することができ、一本の溝に傾斜を設けて深さを連続的に徐々に大きくした溝や、一本の溝に段階的に複数の深さを持つような溝を設けてもよい。例えば、基板の外周部に向かって深さを深くしていくことにより、揮発性の液体を基板内部に毛細管現象により均一に拡散することができるとともに、効率よく蒸発させ除去することができる。
【００５２】
なお、溝の幅としては１００μｍ以下、溝の深さとしては０．１μｍ以上であるのが好ましい。上記範囲外であると直接接合基板を研磨により薄板化する際に溝部分が変形する傾向がある。このような変形により、例えば光導波路デバイスを作製した場合、伝搬ロスが増大する傾向がある。
【００５３】
前記溝は揮発性の液体などを除去するために溝の末端の少なくとも一箇所以上は基板の末端まで達していることが好ましい。
【００５４】
溝の形成においては、貼り合わせられる面に対して溝が一部分に偏らないことが好ましい。具体的には第1の基板の表面又は第２の基板の表面とが貼り合わせられる面内に仮想中心線を引いた場合、溝が前記仮想中心線に対してほぼ対称構造に形成されるように、面内にバランスよく配置されているのが好ましい。ここで、仮想中心線とは溝の配置パターンをほぼ線対称にすることができるような中心線をいう。
【００５５】
複数本数の溝が形成されている場合において、溝の形成部分が基板上の面内で偏っている場合には、面内の部分で接触面積に偏りを生じることになり、歪が生じやすくなる傾向にある。
【００５６】
なお、前記基板の表面における溝の配置としては、ドット状、縞状、格子状など特に限定されない。ただし、これらの中では接合した基板の反りの応力が分散されうることから格子状が好ましい。
【００５７】
溝の形成が面内で偏ることなく、バランスのよい配置である場合には局所的な歪みが生じた場合においても、基板全体で見た場合の歪みの発生が低減される効果がある。具体的には、例えば図３に示すような格子状の溝であって、前記溝の深さ、幅が同じである、すなわち垂直断面形状が同じであるような場合には歪みが小さくなる。なお、図３は溝の配置パターンの一例を示す模式図であり、図３において１４は前記第１又は第２の基板であり、１５は格子状に形成された溝である。
【００５８】
さらに、第１の基板の表面と第２の基板の表面においては少なくともいずれか一方の基板の表面に、誘電体材料または金属材料からなる薄膜が形成されていてもよい。一般に、薄膜は高精度で均一な膜厚制御が可能である。また特に誘電体は材料の選択により様々な屈折率や吸収係数が実現可能なため、直接接合基板の作製方法として誘電体薄膜を介した直接接合は好ましい。特に光導波路型の光学デバイスにおいては導波光に対して低ロスな材料を選択することが可能となる。例えば接着による接合基板から光学素子を作製する方法に比べて、光導波路と接する部分に誘電体薄膜を用いた直接接合基板を利用する方法が有効である。
【００５９】
成膜した基板を従来技術である加圧により密着させる場合には、成膜工程により発生する基板の歪みと、貼り合わせる基板どうしの特性（基板厚みや形状、材料特性の違いなど）により発生する歪みの分布を一致させることが必要であった。しかしながら、本発明の液体の表面張力を利用する基板貼り合わせ方法においては、本質的に外からの加圧による歪みの発生がない。従って、成膜した基板においても歪みの分布を一致させることができるため、歪みを小さくすることが可能である。特に成膜時に発生する歪みは成膜条件によって制御できるため、歪みの小さい貼り合わせ基板を得ることができる。
【００６０】
薄膜としては、ＳｉＯ２やＳｉＮ、低融点ガラス、Ｔａ２Ｏ５などの金属酸化物などをスパッタリングなどにより薄膜を形成させる方法などがあげられる。薄膜の膜厚としては１０〜４００μｍが好ましい。
【００６１】
本発明の方法により得られる貼り合わせ基板は、さらに密着固定強度を増すために加熱処理される。この加熱処理により、より強固に接合された貼り合わせ基板（直接接合基板）となる。熱処理方法はオーブンなどによる方法が用いられるが、特に限定されない。加熱条件としては、急激に昇温した場合には歪みが生じやすくなるため、５０〜５００℃／時で昇温するのが好ましい。また、基板の材料によって異なるが、通常例えば３００〜１０００℃、好ましくは３５０〜８００℃まで昇温し、最高温度で１〜３時間程度保持した後、加熱をやめ徐々に冷却していくのが好ましい。本発明の方法により得られる直接接合基板は加熱処理工程を施しても、低歪み性、低反り性を維持することができる。
【００６２】
本発明の貼り合わせ基板から得られる直接接合基板の歪みの大きさは、一例として、例えば厚さ０．５〜１．０ｍｍの３インチ基板サイズにおいては０．１μｍ／ｍｍ以下を達成することができる。このため高精度なプロセスを用いたデバイス作製に対応することができる。
【００６３】
このようにして得られた歪み、反りの小さい直接接合基板は光導波路素子などの光学デバイス素子や機能性デバイス素子などの用途に好ましく用いられる。
【００６４】
以下に、本発明の実施態様についてさらに具体的に説明する。ここでは、基板貼り合わせプロセスとして酸化物誘電体結晶基板の直接接合を例として、直接接合する２つの基板として強誘電体結晶であるＬＮ結晶基板およびＭｇＯ：ＬＮ結晶基板を用いた場合を例に説明するが、本発明は本構成に限定されるものではない。
【００６５】
（実施の形態１）
実施の形態１で、本発明の方法を用いた貼り合わせ基板及び直接接合基板の基板歪み、および反りの非常に小さな直接接合基板の有効性について説明する。
【００６６】
なお、本実施の形態においては、基板歪みとは、高平坦度（例えば直径５０ｍｍの面内で１５０ｎｍ以下の平坦性を確保した状態）を有する外部参照面に対して、基板の表面の平坦性が無方向に変化している状態を意味する。また基板反りとは基板歪みの蓄積により外部参照面に対して基板が湾曲している状態を意味する。
【００６７】
以下に本発明の基板貼り合わせ方法、貼り合わせ基板、及び、直接接合基板について具体的に説明する。
【００６８】
図１に本発明の工程において、揮発性の液体を注入しその表面張力により基板を互いに引き寄せて密着状態を形成する工程を示す。図１（ａ）〜図１（ｄ）において３はＸカットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板（径：３インチφ，厚み：０．５ｍｍ，表面粗さ：５ｎｍＲａ以下，基板反り：０．１μｍ／ｍｍ以下）、４はＸカットのＬＮ結晶基板（径：３インチφ，厚み：１．０ｍｍ，表面粗さ：５ｎｍＲａ以下，基板反り：０．１μｍ／ｍｍ以下）、５は液体注入手段として用いるノズル、６は揮発性の液体であるアセトンである。
【００６９】
前記ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３とＬＮ結晶基板４とのそれぞれ貼り合わせられる面は光学（鏡面）研磨がされている。なお、本実施の形態においては揮発性の液体としてアセトンを選んだが、例えば水やアルコールを用いた場合においても同様の効果が得られる。ただし、短時間で密着状態を形成するには常温で蒸発速度の速いアルコールやアセトン等の有機溶剤を用いるのが好ましい。
【００７０】
本実施の形態で示す基板貼り合わせ方法では、まず、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３の貼り合わせる面と、ＬＮ結晶基板４の貼り合わせる面とを親水性処理する。具体的には、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３とＬＮ結晶基板４のそれぞれの貼り合わせる面にアセトン超音波洗浄を施した後にアンモニア水：過酸化水素水：純水＝１：１：６の混合溶液に１５分以上浸し、純水でリンスした後乾燥処理を行う。
【００７１】
その後、図１（ａ）に示すように、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３とＬＮ結晶基板４の結晶軸方向をあわせた状態で保持し、親水性処理をしたＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３の貼り合わせられる面とＬＮ結晶基板４の貼り合わせられる面とを近接させる。この状態では基板の密着状態は形成されておらず、貼り合わせられる２枚の基板のそれぞれの歪みは互いに影響を及ぼさない。また、２枚の基板の貼り合わせられる面同士が完全に平行でない限り、例えば図１（ａ）中の上部に配置されたＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３の保持を解除した場合においても基板間に空隙が生じるため基板の密着状態はほとんど生じない。本実施の形態では、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３をＬＮ結晶基板４上に配置し揮発性液体を供給した後、以下に述べるように上基板３の保持を解除する。従って、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板３は自重でＬＮ結晶基板４と揮発性の液体を介して対向することとなる。
【００７２】
次に図１（ｂ）に示すように、ノズル５を用いて基板の貼り合わせる面内にアセトン６を２００μＬ注入する。近接された基板間にアセトン６が瞬時に拡がり、図１（ｃ）に示すように１０μｍ未満の間隙でアセトン６を介した密着状態が形成される。この状態において、常温、常圧下で基板の保持を解除するとアセトン６の気化とともに基板間距離は小さくなり、最終的には図１（ｄ）に示されるような中間に介在物を有さない貼り合わせ基板が得られる。
【００７３】
得られる貼り合わせ基板は密着固定強度を増すためにさらに加熱処理することができる。本発明により得られる貼り合わせ基板は加熱処理によっても歪みの発生や増大が無い。熱処理にはオーブンを用い、接合基板の剥離や急速加熱による破損を防止するため２５℃から５００℃まで昇温速度１００℃／ｈで加熱し、５００℃で１時間保持した後、下温する。このようにして直接接合基板が得られる。
【００７４】
ここで、本発明の実施の形態１で得られるＭｇＯ：ＬＮ結晶基板とＬＮ結晶基板との直接接合基板の歪みの測定結果の一例を示す。図５（ａ）において１はＸカットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板、２はＸカットのＬＮ結晶基板である。また、図５（ａ）には直接接合基板の干渉顕微鏡観察像が示されている。
【００７５】
歪みの評価は干渉顕微鏡像観察で行われる。干渉顕微鏡像観察は前述のように１５０ｎｍ以下の精度の高平坦度を有する外部参照面に対する測定基板表面の平行度を視覚的に観察することができる。これにより基板反りの大きさを評価できる。
【００７６】
干渉顕微鏡像観察において、波長６３３ｎｍのレーザー光源を用いて参照面を透過して測定すべき物体表面を照明し、参照面及び物体表面からの反射光の干渉状態から参照面に対する物体表面の傾斜（＝物体面の平坦度）を測定できる。
【００７７】
得られる干渉顕微鏡像における干渉縞の隣り合う明部から明部（または暗部から暗部）までの光路差は約０．３μｍである。従って、測定すべき直接接合基板が完全に反りのない場合には、物体を保持しているステージの角度を調整することにより、物体表面を参照面に対して完全平行な状態にして干渉縞の無い観察像を得ることができる。
【００７８】
なお、反りの大きさは、直接接合基板表面内の任意のＡ点からＢ点まで移動するときに、Ａ点及びＢ点における参照面からの距離の差を測定し、１ｍｍの位置ずれに対する参照面から直接接合基板表面までの距離のずれ（μｍ／ｍｍ）で評価する。
【００７９】
具体的には干渉顕微鏡観察像として観察像中心から同心円状に２０本の干渉縞が観察された場合、干渉縞１本あたりの光路差、すなわち参照面からの距離の差が０．３μｍ生じているので観察像中心部に対して周辺部は６μｍ程度反っているということがわかる。このとき観察視野の大きさが例えばφ５０ｍｍであるとすると、基板の反りの大きさは０．１２μｍ／ｍｍとなる。
【００８０】
比較のため、図５（ｂ）には従来の基板貼り合わせ方法を用いて作製した直接接合基板の干渉顕微鏡像を示す。図５（ｂ）で観察された基板の基板反りの大きさは約０．８μｍ／ｍｍであった。これは３インチウエハ全体で見ると６０μｍ以上という非常に大きな基板反りに相当する。図５（ａ）の干渉顕微鏡観察像に示されるように、本発明の基板張り合わせ方法を用いて作製した直接接合基板の反りは３インチ基板サイズにおいて５μｍ以下（０．１μｍ／ｍｍ以下）と非常に小さく、高精度プロセスを用いたデバイス作製に対応できる。
【００８１】
実施の形態１の別の例としては、貼り合わせる基板の少なくとも一方の基板の接合面に溝を形成した場合にも、同様の歪みの小さな直接接合基板を得ることができる。貼り合わせる面に形成される溝は、貼り合わせる面に供された揮発性の液体の除去を促進する。例えば前記加熱処理工程においても、接合面上の水分子や残留したアセトンなどを効率よく直接接合基板から離脱させることができるという効果もある。従来技術では貼り合わせる面に形成された溝は、加圧工程において局所的な応力を緩和する役割を果たしていた。これは直接接合基板全体としては歪みの要因になっていた。しかしながら、本発明の基板貼り合わせ方法においては、本質的に外からの加圧による歪みの発生がないので歪みの小さい貼り合わせ基板を得ることができる。特に、溝の形成方向、幅、長さ、深さが面内でほぼ均一なパターンとなるように、例えば図３に示すような格子状の溝であった場合には歪みの発生をより低減できる。なお、前記溝は、その機能から少なくとも１カ所以上が直接接合基板の側端面に達していることが望ましい。
【００８２】
実施の形態１のさらに別の例として、基板の貼り合わせる面に、誘電体材料もしくは金属材料からなる薄膜を堆積する場合の一例を図４に示す。図４において１６はＸカットのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板、１７はＸカットのＬＮ結晶基板、１８はＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１６上に堆積した誘電体材料からなる薄膜である。本実施の形態では薄膜１８としてＴａ２Ｏ５を用い、厚みを１００〜４００ｎｍとする。薄膜１８はスパッタによりＭｇＯ：ＬＮ結晶基板１６上に堆積する。
【００８３】
次に直接接合基板の応用としての光導波路デバイスを形成するため、後述するように直接接合基板の表面研磨・薄板化を行い最終的に結晶基板の厚みを３〜４μｍにまで薄くすることもできる。光導波路等の光学デバイスを目的とした薄板化研磨は厚み精度として±０．１μｍ以下という非常に高い精度が求められる。従って、直接接合基板の歪みや反りの大きさがデバイスの特性および作製歩留まりに直接影響する。本発明の方法により得られる歪みの小さな直接接合基板を用いることにより、研磨治具への均一な面保持が可能となる。例えば高精度研磨を３インチ基板のほぼ全面に渡って達成することができる。
【００８４】
（実施の形態２）
実施の形態２では本発明の方法により得られる直接接合基板について説明する。
【００８５】
半導体や酸化物材料からなる結晶基板の光導波路型デバイスは超小型の機能性デバイスを実現する有効な手段である。これまで、機能性結晶の光導波路化によりグレーティングデバイス、スイッチングデバイス、波長変換デバイスなど多くの小型機能性デバイスが研究開発されている。一般に、これらの結晶基板における光導波路形成は不純物ドープによる局所的な屈折率変化を利用している。しかし、不純物ドープにより、結晶基板の機能性（光透過率や非線形光学定数など）が低下することが多いため、新たな光導波路の形成方法が求められていた。前記課題を解決する手段として、直接接合技術、特に異種材料間の直接接合基板が検討されている。例えば、機能性材料からなる結晶基板とＳｉ基板とを直接接合した後、Ｓｉ基板を支持基台として機能性材料結晶基板を薄板化研磨し、リッジ形状加工を行うことにより、不純物ドープのない機能性材料からなる３次元光導波路が形成できる。
【００８６】
光導波路型機能性デバイスにおいて最も重要になるのは、光導波路を導波する光の伝搬定数の制御と均一性である。伝搬定数が不均一な場合にはデバイス特性が劣ることになる。例えばグレーティングデバイスに利用する場合、光導波路の伝搬方向に伝搬定数が変化するとグレーティングの実効的な周期構造が乱れるため、回折効率が劣化する。また光変調器などのスイッチングデバイスに利用する場合には、伝搬定数に分布が生じるとＳ／Ｎ比が大きく劣化する。
【００８７】
また、波長変換デバイスに代表される非線形光学デバイスに利用する場合には、伝搬定数が不均一な場合には位相整合条件の乱れを発生させ、変換効率を大幅に低下させる。このため従来の直接接合基板を用いた光導波路型デバイスでは、その応用範囲は限定され、また作製歩留まりも大きく影響していた。特にシングルモード光導波路を用いて伝搬定数により光制御を行うデバイスにおいては、伝搬定数の均一性に対する要求が厳しく、量産レベルでの特性確保が困難であった。
【００８８】
直接接合基板を用いた光導波路型デバイスにおいて基板の歪みや反りが問題となるのは、（Ａ）光導波路の形状、及び（Ｂ）光導波路への局所的な応力による屈折率分布の２点である。
【００８９】
第１の問題点は基板の歪みや反りが光導波路の形状に大きな影響を与えることである。上述したように直接接合基板を用いて光導波路型デバイスを製造する場合、薄板化研磨工程とリッジ加工工程が重要な工程となる。デバイス設計、デバイス特性及び歩留まり率の観点から、薄板化研磨工程では均一な厚みに研磨を行うことが重要である。従って、基板の平坦度を向上させることは重要である。
【００９０】
また、リッジ加工工程ではダイシングやドライエッチングなどの手法が採られるため、接合基板の平坦性は加工精度に大きな影響を与える。従って、直接接合基板の歪みや反りを低減させることは重要である。
【００９１】
反りと加工形状との相関を取るため３インチウエハのＬｉＮｂＯ３結晶基板と３インチウエハのＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３結晶基板との異種材料間の直接接合を検討した。試料として（１）実施の形態１に示した本発明の揮発性の液体を用いる貼り合わせ方法により、及び試料（２）、（３）として従来の加圧工程を含む方法により直接接合を行い、反りが（１）前記評価方法での測定限界の０．１μｍ／ｍｍ以下、（２）０．５μｍ／ｍｍ、（３）１．０μｍ／ｍｍの各直接接合基板を用意した。そして、薄板化研磨工程による加工形状の面内のバラツキを比較した。
【００９２】
なお、薄板化工程としては各直接接合基板をまず番手＃６００で厚み２０μｍ程度まで研磨した。続いて厚み１０μｍ程度までダイヤモンド砥粒（粒径：１μｍ）で研磨し、さらに厚み３〜４μｍまでコロイダルシリカ（粒径：０．０５〜０．１μｍ）で研磨した。
【００９３】
図６（ａ）から図６（ｃ）に、前記各接合基板を薄板化研磨したときの干渉顕微鏡観察像による研磨厚み分布を示す。図６（ａ）は反りが（１）０．１μｍ／ｍｍ以下の基板、図６（ｂ）は反りが（２）０．５μｍ／ｍｍの基板、図６（ｃ）は反りが（３）１．０μｍ／ｍｍの基板の干渉顕微鏡観察像である。反りが（３）１．０μｍ／ｍｍの基板に関しては、薄板化研磨工程での研磨ジグへの均一貼り合わせが困難であり、最終研磨厚みムラが大きかった。図６（ａ）〜（ｃ）からわかるように、直接接合基板の反りと薄板化研磨工程における最終研磨厚みムラには明確な相関があることがわかる。
【００９４】
デバイスサイズとして例えば光導波路伝搬方向に１０ｍｍ長の素子を得る場合、加工形状の観点からは、厚み分布として図６（ａ）もしくは図６（ｂ）のような状態が好ましい。また、量産時の歩留まり率の観点からは、図６（ａ）のような状態がさらに好ましい。すなわち、直接接合基板の反りとしては加工精度の観点からは０〜０．５μｍ／ｍｍ、量産時の歩留まり率の観点からは、０〜０．１μｍ／ｍｍであるのが好ましい。
【００９５】
また、上記の研磨により薄板化した各直接接合基板の８２０ｎｍの半導体レーザーからの光を波長４１０ｎｍの光へ波長変換効率を比較すると、（１）の０．１μｍ／ｍｍ以下の反りを有する直接接合基板を用いた場合には波長変換効率が３００〜３５０％／Ｗである。これに対し、（２）の０．５μｍ／ｍｍ以上の反りを有する直接接合基板を用いた場合には、波長変換効率が２００〜２８０％／Ｗとなる。また（３）の１.０μｍ／ｍｍの反りを有する直接接合基板を用いた場合には、波長変換効率が７０％／Ｗ以下となる。基板反りはこのような波長変換効率の違いとして現れる。
【００９６】
第２の問題は光導波路において局所的に応力が集中することにより、屈折率分布が発生することである。前記屈折率分布の発生はデバイス特性に影響を及ぼす。光導波路を形成する場合、基板の反りは応力により屈折率分布の変化を生じさせる。また例えば光導波路の伝搬方向、あるいは光導波路の深さ方向などの応力分布は、屈折率を実効的に変化させることも考えられる。特に光導波路伝搬方向の屈折率分布はデバイス特性を大幅に劣化させる。かかる観点からも本発明の本質的に加圧工程を有さない方法により貼り合わされた基板からなる直接接合基板は内部応力も極めて低減されているため好適に用いることができる。
【００９７】
ここで、光導波路型の非線形光学デバイスの例を挙げる。
【００９８】
例えば、周期状の分極反転構造を有する光導波路をＭｇＯ：ＬＮ結晶基板に形成させると高効率な波長変換素子が得られる。前記波長変換素子は、光導波路を伝搬する基本波を波長の異なる高調波に変換させることができるデバイスである。光導波路の全長において基本波と高調波の伝搬定数を一致させた前記波長変換素子は高効率で波長を変換させることができる。しかし、基板の反りによる局所的な応力の集中は屈折率に変化を生じさせる。前記屈折率の変化は伝搬定数に分布を生じさせ、波長の変換効率を低下させる。
【００９９】
また、波長変換効率の低下には、局所的な応力による屈折率変化に起因する周期状分極反転構造の周期性の乱れが含まれていることも考えられる。周期状分極反転構造は、例えば直接接合を行う前にフォトリソグラフィーとドライエッチングなどにより周期状パターンの電極を形成し、高電圧電界を印加することで得られる。この周期状分極反転構造は均一な伝搬定数を有する光導波路に対して設計されており、光導波路形状及び屈折率がデバイス長全体に渡って一定であることが前提となる。フォトリソグラフィープロセスは非常に高精度な周期パターンを形成させることができ、形成される周期状分極反転構造も均一周期である。しかしながら上述した応力により発現する屈折率分布があると、実効的な屈折率が光導波路内で（基板歪みや反りの状態に従って）ランダムに変化するため、周期構造の均一性が損なわれることも考えられる。いずれにしても、基板反りが素子の特性に大きく影響を与えていることがわかった。素子特性の観点からすると、基板反りが０〜０．５μｍ／ｍｍであることが望ましく、さらに面内均一性及び素子歩留まり率を考慮するならば、基板反りは０〜０．１μｍ／ｍｍであることが好ましい。
【０１００】
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、全ての局面において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明によれば誘電体材料、半導体材料、金属材料、セラミック材料など同種基板間または異種基板間の直接接合を利用するデバイス作製プロセスに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】図１は本発明の貼り合わせ方法の工程の一例を示す模式図であり、図１（ａ）はＭｇＯ：ＬＮ基板とＬＮ基板との貼り合わせる面を向かい合わせて保持する工程を示す図である。図１（ｂ）はＭｇＯ：ＬＮ基板とＬＮ基板とを近接させて保持し、揮発性の液体を供する工程を示す図である。図１（ｃ）は、ＭｇＯ：ＬＮ基板とＬＮ基板とを揮発性の液体を介して基板の密着状態を形成させる工程を示す図である。図１（ｄ）は揮発性液体の気化によりＭｇＯ：ＬＮ基板とＬＮ基板とを貼り合わせる工程を示す図である。
【図２】図２は、溝の垂直断面形状の一例を示す模式図である。
【図３】図３は、溝が形成されたＬＮ基板の溝の配置の一例を示す模式図である。
【図４】図４は貼り合わせる面にＴａ２Ｏ５からなる薄膜を堆積したＭｇＯ：ＬＮ基板とＬＮ基板とを貼り合わせた直接接合基板の例を示す模式図である。
【図５】図５（ａ）は本発明の方法により得られたＭｇＯ：ＬＮ基板とＬＮ基板との直接接合基板の干渉顕微鏡による反りの測定結果の一例である。図５（ｂ）は従来技術の方法により得られた、反りの大きな直接接合基板の干渉顕微鏡像の一例である。
【図６】図６（ａ）は、基板反りが０．１μｍ／ｍｍ以下の直接接合基板を薄板化研磨したときの干渉顕微鏡像による最終研磨厚み分布の一例である。図６（ｂ）は基板反りが０．５μｍ／ｍｍの直接接合基板を薄板化研磨したときの最終研磨厚み分布の一例である。図６（ｃ）は基板反りが１．０μｍ／ｍｍの直接接合基板を薄板化研磨したときの最終研磨厚み分布の一例である。
【図７】図７（ａ）はＭｇＯ：ＬＮ基板とＬＮ基板とを局所的加圧により密着固定する場合の基板内応力の発生状態を示す模式図である。図７（ｂ）は図７（ａ）の局所的加圧に加えてさらに別の部分を局所的に加圧することにより密着固定する際の基板内に発生する応力を示す模式図である。図７（ｃ）は図７（ａ）及び図７（ｂ）の局所的加圧を行った場合に発生する最終的に貼り合わされた基板の歪み状態を示す模式図である。
【図８】図８（ａ）は、ＭｇＯ：ＬＮ基板と逃げ溝を形成したＬＮ基板とを局所的加圧により密着固定する場合の基板内応力の発生状態を示す模式図である。図８（ｂ）は図８（ａ）の局所的加圧を行った場合に発生する貼り合わされた基板の歪み状態を示す模式図である。図８（ｃ）はＭｇＯ：ＬＮ基板と逃げ溝を形成したＬＮ基板とを逃げ溝の上部付近の局所的加圧により密着固定する場合の基板内応力の発生状態を示す模式図である。図８（ｄ）は前記図８（ｃ）の局所的加圧を行った場合に発生する最終的に貼り合わされた基板の歪み状態を示す模式図である。
【国際調査報告】
2005045908.tif 000010
2005045908.tif 000011
2005045908.tif 000012
2005045908.tif 000013