CN100405540C - 基板贴合方法、该贴合基板及直接接合基板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基板贴合方法，包括如下工序：使第1基板的表面与第2基板的表面接近或部分接触的工序；向所述第1基板的表面与所述第2基板的表面之间提供挥发性液体的工序；和使所述挥发性液体气化并使基板贴合的工序。另外本发明还提供使用该方法得到的贴合基板和直接接合基板。根据本发明的方法可以得到弯曲或变形非常小的直接接合基板。

Description

基板贴合方法、该贴合基板及直接接合基板
技术领域
本发明涉及一种用于使从玻璃材料、半导体材料、电介质材料、金属材料、陶瓷材料等中选择的多个基板贴合、得到弯曲或变形非常小的直接接合基板之基板贴合方法，以及使用该方法得到的贴合基板和直接接合基板。
背景技术
已知直接接合技术，是作为不使用接着剂等而将由玻璃材料、半导体材料、强电介质材料、金属材料、压电陶瓷材料等各种材料构成的多个基板彼此牢固且高精度地接合、实现具有各种特性的器件之技术。尤其是不同种类材料基板间的直接接合技术的有用性高。
作为不同种类材料基板间的直接接合基板的实例，例如有：使用氧化物强电介质结晶的直接接合基板、玻璃与LiNbO3结晶基板(下面也称为LN结晶基板)的、玻璃与LiTaO3结晶基板(下面也称为LT结晶基板)的、等等的直接接合基板。另外，作为其它材料实例，广泛知道通过直接接合半导体材料基板来制作SOI(Silicon On Insulator)基板的方法等。
例如，玻璃材料基板、电介质材料基板、金属材料基板、半导体材料基板等不同种类材料基板间的直接接合基板，期待应用于光学元件中等，即将贴合成直接接合基板中的一个基板薄板化之后、例如脊加工(ridgeprocessing)后，作为光波导型元件来利用。
通常，对直接接合基板实施研磨或蚀刻等加工来制作光学元件等功能性器件。在研磨或蚀刻工序中，当将直接接合基板在加工装置中夹持时，直接接合基板若有变形或弯曲，则妨碍对直接接合基板的均匀夹持，导致加工精度下降。尤其是在需要高精度的薄板化研磨或大面积的干蚀刻等时，直接接合基板的弯曲大小大大影响器件的特性或制品的合格率。因此，为了得到高性能的功能性器件，需要通过提高直接接合基板的贴合精度来降低变形或弯曲。
这里，说明现有直接接合基板的制造方法一例。
例如，有如下方法，通过稍稍加压处于接近状态的基板，形成局部紧贴状态，通过进一步加压紧贴区域的附近，使紧贴区域扩大，使整个面紧贴。此时，在贴合前的基板具有弯曲的情况下，不均匀的紧贴部分在直接接合基板中产生变形，产生贴合不好。
图7中示出所述变形的发生状态之模式图。在图7(a)～图7(c)中，7为X切割(X-cut)的MgO掺杂LiNbO3结晶基板(下面也称为MgO:LN结晶基板)，8为X切割的LiNbO3结晶基板，9为加压装置。MgO:LN结晶基板7与LN结晶基板8的各接合面被光学研磨。如图7(a)所示，在将MgO:LN结晶基板7与LN结晶基板8接近而夹持的状态下，利用加压装置9局部加压MgO:LN结晶基板7的一部分时，以通过局部加压基板被变形的状态形成紧贴状态。即，由于在加压部正下的接合面中从加压的中心向外侧产生应力，所以在晶格扩展的状态下紧贴。若进一步加压该紧贴区域的附近，则如图7(b)所示，新的加压部被施加从加压中心指向外侧的力，已紧贴的部分被施加与加压时相反的指向晶格收缩方向的应力。
如一般所知，直接接合而可以贴合的基板，即便在未施加热处理的状态下紧贴强度也高，即便施加相当大的力，紧贴部分也不会剥离。因此，所述变形残留在紧贴部分中，从贴合的基板的中央部开始形成紧贴状态，在向基板的一端扩大了紧贴区域的情况下，如图7(c)所示，当从直接接合基板整体来看时，则形成变形非常厉害的基板。
目前已提出以下方法，即降低在上述贴合时产生的变形、并且去除在批量生产功能性器件时引起因接合不好而造成合格率下降的气泡或空隙。
例如在特开平09-63912号公报中，记载了通过在基板中形成逃逸沟来去除贴合的面之气泡或空隙、并且通过逃逸沟来缓和加压时施加的应力之方法。但是，例如在使具有变形的两个基板接触时，由于为了完全紧贴而需要加压基板的一部分或整体的工序，所以可以降低局部的未接合区域，但从整个直接接合基板来说，基板变形变大的问题就要明显。
根据图8来说明此时的变形产生的状态。在图8(a)-图8(d)中，10为X切割的MgO:LN结晶基板，11为形成有逃逸沟的X切割的LN结晶基板，12为加压装置，13为逃逸沟。MgO:LN结晶基板10与LN结晶基板11各贴合面被光学研磨。如图8(a)所示，在将MgO:LN结晶基板10与LN结晶基板11接近而夹持的状态下，利用加压装置12局部加压MgO:LN结晶基板10，则形成通过局部加压基板处于变形状态下的紧贴状态。此时，逃逸沟13起到逃逸在接合面中产生的应力的作用，但根据加压方法，如图8(b)所示，由于在吸收变形的逃逸沟13的两侧接合，所以在作为非接合区域的逃逸沟13部分中，很大地残留MgO:LN结晶基板10的变形。还有，如图8(c)所示，在加压逃逸沟13的正上部分的情况下，以逃逸沟13的晶格扩展的状态而接合。因此，在解除加压时，如图8(d)所示，从逃逸沟13部分向外侧施加有残留应力。结果，看到直接接合基板产生很大的弯曲。
另一方面，例如在特开平07-283379号公报中，提议使两个基板接近而夹持，通过压缩空气来加压贴合的方法，但与上述一样，产生加工工序引起的变形，难以去除直接接合基板的弯曲。
另外，例如在特开2000-216365号公报中，提议通过在减压下利用自重的基板贴合方法，避免空气封入贴合面中和降低基板的变形。但是，由于夹持基板的隔板局部支撑基板的一部分，所以被夹持的基板本质上产生自重造成的变形。因此，存在贴合时基板中容易产生变形的问题。
另外，例如在特开平06-267804号公报中，提议将具有应力的薄膜成膜在贴合面上的方法，作为矫正直接接合基板的弯曲的方法。但是，难以使通过成膜工序产生的基板弯曲与要贴合的基板具有的弯曲分布一致。另外，存在在贴合工序时需要对每个基板观察变形并选择具有可矫正应力之薄膜而进行管理的问题。另外，按照成膜的薄膜的材料或成膜方法等，膜表面的粗糙精度就要变差，存在难以直接接合的问题。
另外，在上述任一方法中，特别是在刚性小易变形的材料构成的基板、或例如厚度为1mm以下的薄基板的贴合中，存在变形显著的问题。尤其是在由氧化物材料构成的结晶基板的直接接合的情况下，由于结晶基板的刚性强，所以很难向具有变形而直接接合的基板施加外力等的方法来修正，具有用于得到弯曲或变形小的基板之贴合方法被要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基极贴合方法，包括如下工序：使第1基板的表面与第2基板的表面接近或部分接触的工序；向所述第1基板的表面与所述第2基板的表面之间提供挥发性液体的工序；和使所述挥发性液体气化后使基板贴合的工序。另外，本发明的目的在于提供通过上述基板贴合方法得到的贴合基板以及通过加热处理该贴合基板得到的直接接合基板。
在本方法中，通过介入所述挥发性液体来去除基板间的气泡，不使气泡或空隙残留在贴合的面中，得到变形少的贴合基板。因此，例如可得到弯曲为0.1μm/mm以下(在3英寸晶片基板整体中看时，基板的弯曲最大为8μm左右)之直接接合基板。由此，例如在研磨加工而使直接接合基板薄板化的情况下，用研磨夹具而实现均匀的夹持就变得容易，能够以高的合格率得到功能性器件。
另外，本发明的贴合基板是使用上述基板贴合方法得到的。根据该构成，本发明的贴合基板可用作变形、弯曲小的直接接合基板的原板。
又，本发明的直接接合基板是通过加热处理上述贴合基板得到的。根据该构成，该直接接合基板可对应于使用高精度加工的器件制作。
另外，在本说明书中，所谓贴合基板是指仅使两个基板接触、紧贴的基板，所谓直接接合基板是指通过对所述贴合基板进行热处理等而进一步物理、化学地使贴合面牢固接合的基板。
本发明的目的、特征、局面和优点通过以下的详细说明与附图变得更加明白。
附图说明
图1是表示本发明贴合方法工序一例的模式图，图1(a)是表示使MgO:LN基板与LN基板的贴合面相对面而夹持的工序图，图1(b)是表示使MgO:LN基板与LN基板接近而夹持、提供挥发性液体的工序图，图1(c)是表示使MgO:LN基板与LN基板介由挥发性液体形成基板的紧贴状态之工序图，图1(d)是表示通过挥发性液体的气化使MgO:LN基板与LN基板贴合的工序图。
图2是表示沟的垂直截面形状一例的模式图。
图3是表示形成有沟的LN基板的沟配置一例的模式图。
图4是表示使在贴合面上堆积有由Ta2O5构成的薄膜之MgO:LN基板与LN基板贴合的直接接合基板一例的模式图。
图5(a)是通过本发明方法得到的MgO:LN基板与LN基板之直接接合基板使用干涉显微镜测定弯曲的结果一例。图5(b)是通过现有技术的方法得到的、变形大的直接接合基板之干涉显微镜像的一例。
图6(a)是对基板变形为0.1μm/mm以下的直接接合基板进行薄板化研磨时的用干涉显微镜像表示最终研磨厚度分布之一例。图6(b)是对基板变形为0.5μm/mm的直接接合基板进行薄板化研磨时的最终研磨厚度分布一例。图6(c)是对基板变形为1.0μm/mm的直接接合基板进行薄板化研磨时的最终研磨厚度分布一例。
图7(a)是表示通过局部加压来紧贴固定MgO:LN基板与LN基板时的基板内应力产生状态之模式图。图7(b)是表示通过除图7(a)的局部加压外还局部加压其它部分来紧贴固定时在基板内产生的应力之模式图。图7(c)是表示在执行图7(a)和图7(b)的局部加压时产生的最终贴合基板之变形状态的模式图。
图8(a)是表示通过局部加压来紧密固定MgO:LN基板与形成逃逸沟的LN基板时的基板内应力产生状态之模式图。图8(b)是表示在执行图8(a)的局部加压时产生的贴合基板变形状态的模式图。图8(c)是表示通过逃逸沟上部附近的局部加压来紧密固定MgO:LN基板与形成有逃逸沟的LN基板时的基板内应力产生状态之模式图。图8(d)是表示执行所述图8(c)的局部加压时产生的最终贴合基板的变形状态的模式图。
具体实施方式
下面，说明本发明的实施方式。
本发明涉及一种基板贴合方法，其特征在于，包括如下工序：使第1基板的表面与第2基板的表面接近或部分接触的工序；向所述第1基板的表面与所述第2基板的表面之间提供挥发性液体的工序；和使所述挥发性液体去除后使基板贴合的工序。
通过向两个基板之间提供所述挥发性液体，去除气泡，在贴合面中不会残留气泡或空隙。另外，实质上不加压基板本身，而利用挥发性液体的表面张力使两个基板紧贴，所以可得到变形小的贴合基板。结果，以高质量可得到例如作为光学元件的光波导型元件等功能性器件。另外，可实现批量生产时的合格率高等好的效果。
本发明中的第1基板与第2基板是指贴合基板中的被贴合的各个基板。就各个基板而言，也可以是已贴合多层化的基板，或者，局部形成薄膜的或形成有电路的基板。因此，只要是适合于制造直接接合基板的一组基板，则不特别限定。
作为本发明中的第1基板及第2基板的材质，例如可以举出玻璃、半导体、强电介质、压电陶瓷等各种无机材料等，可以与同种类或不同种类的基板组合使用。例如有LiNbxTa(1-x)O3结晶(0≤x≤1)、MgO掺杂LiNbO3结晶、LiTaO3结晶、蓝宝石等各种氧化物。再说，其中，MgO掺杂LiNbO3结晶、LiNbxTa(1-x)O3(0≤x≤1)结晶等氧化物结晶基板，有用于光学器件等，用作直接接合的基板是优选的。
不特别限定第1基板和第2基板的厚度。为了防止工序上的周边环境(夹具、支撑台等)因素引起的变形发生，任一基板的厚度最好为0.1mm以上。例如，上述氧化物结晶基板可使用1mm厚的基板。另外，在本发明中，最好是第1基板及第2基板的厚度之比大，并且充分得到厚度方向的基板贴合表面之平坦性的。通过使用这种厚度不同的基板，可进一步降低变形产生。
另外，第1基板和第2基板的形状不特别限于圆板状、矩形等。作为其大小，例如最好使用直径为3～5英寸的圆板、或四边形的基板中一边为10～150mm的基板。
另外，在本发明中，为了赋予适合于贴合在第1基板表面与第2基板表面的表面平滑性，优选基板的至少一方、更优选为双方是事先平滑处理过的基板。
平滑面最好是通过原子间力显微镜(AFM)表面形状测定装置测定的表面粗糙度为10nmRa以下的面，更好是5nmRa以下的面。若所述表面粗糙度比10nmRa大，则具有在表面凹凸的影响下难以直接接合的倾向。这种平滑面可通过机械研磨或进而镜面研磨等来得到。其中，最好执行得到高平滑性的镜面研磨。
再有，在本发明中，为了对第1基板的表面与第2基板的表面赋予挥发性液体易展开的性质，在提供挥发性液体之前可加入进行亲水性处理的工序。通过执行亲水性处理，若接近存在于基板表面的挥发性液体的分子间力彼此影响的距离，则可以形成强的吸附状态。
作为亲水性处理，例如具体有基于UV照射、等离子体的表面处理、基于氨水：过氧化氢水：纯水的混合溶液之“氨过水”处理的方法等，但只要是提高表面亲水性的处理方法，则不特别限定。其中，从可由较简便的装置(加热器、通风、氨水、过氧化氢水、纯水等)而处理、并批量性好的方法之优点看，最好是“氨过水”处理。
另外，作为本发明中基板表面的亲水性，最好在20℃下、以1～10μL向基板表面滴下水滴时形成的液滴与基板表面的接触角为20度以下。在接触角超过20度的情况下，亲水性处理不充分，存在难以形成贴合状态的倾向。
下一道，在本发明中设置有使第1基板的表面与第2基板的表面接近或部分接触的工序。在本工序中所谓的接触或部分接触是指两个基板间的间隔非常接近，根据情况部分接触的状态。具体而言，在接近情况下，是具有数μm～数十μm间隙的状态下夹持两个基板。但是，只要是足以本发明中所用的挥发性液体被夹在所述两个基板间的间隔，则不特别限定。作为部分接触，例如第1基板与第2基板仅局部接触的状态、多个部分接触的状态等。这种局部接触通过利用自重将上方的基板装载在下方基板上来得到。此时，在镜面研磨后的氧化物结晶基板彼此中，间隙不足10μm。另外，第1基板与第2基板不必是同等大小。只要是仅要直接接合的一个基板的一部分接近或局部接触即可。
关于使所述第1基板的表面与所述第2基板的表面接近或部分接触的方法，没有特别限定，例如使用吸附夹持装置支撑一个基板、再接近另一基板后、释放吸附夹持并静置的方法等。
另外，第1基板与第2基板的配置方向不特别限定，但为了直接接合，最好是使所述两个基板的结晶轴方向一致的方向。
下一道，在本发明中执行向第1基板的表面与第2基板的表面之间提供挥发性液体的工序。该工序通过在使第1基板的表面与第2基板的表面接近或局部接触之状态下，使挥发性液体介入两个基板之间，去除基板间的气泡或空隙。另外，通过液体蒸发，本质上不必基板的加压，就可使两个基板紧贴。
提供挥发性液体的装置不特别限定。但是，最好将上方基板在接近或局部接触下方基板的状态下夹持，并从喷嘴向其间隙以点滴状压出挥发性液体，并在基板间通过毛细管现象提供液体之后，释放上方基板的夹持，利用上方基板的自重，经液体形成接触状态。另外，也可不象上述那样夹持上方基板，而利用自重装载在下方基板上，在基板间形成基于空气的间隙，变为局部接触状态，同样向该间隙中提供挥发性液体。在这种状态下，若提供亲和性液体，则良好地排出基板间的空气，难以残留气泡的痕迹。或者也可使用注射器、液滴吸移管等来强制注入。
只要是本发明中的挥发性液体不通过气化工序残留在基板间，则不特别限定。最好是1气压下的沸点为100℃以下的液体。作为这种挥发性液体，例如有有机溶剂、水、水与有机溶剂的混合物等。具体而言，例如可单独或混合使用水，丙酮、甲基乙基酮等酮类溶剂，甲醇、异丙醇等醇类溶剂，***等醚类溶剂，氯仿、四氯化碳、1，1，1-三氯乙烷、三氯乙烯等含氯有机溶剂，正己烷等直链状烃，此外还有二硫化碳、醋酸异丙酯、醋酸乙烯酯、汽油、石油醚(petroleum ether)、石脑油、石油苯(petroleum benzene)等，它们可以单独使用也可以混合使用。其中，有机溶剂、尤其是丙酮相对氧化物结晶基板容易展开，从迅速蒸发的观点看是优选的。另外，在根据基板的种类而不能使用有机溶剂的情况下，只要是挥发性液体而能够气化，则可以使用无机溶剂。
另外，作为本发明中的液体注入量，由于受基板间的间隙之影响，所以通过选择液体与基板，考虑液体因表面张力差而展开，在不损害本发明效果的范围下，只要适当提供以展开于整个基板面即可。
作为一例，在贴合面积作为S(cm2)的情况下，最好提供的液量为S(cm2)×0.001(cm)以上、S(cm2)×0.01(cm)以下。在不足S(cm2)×0.001(cm)的情况下，存在液量少不能充分覆盖基板面的倾向。另一方面，在液量超过S(cm2)×0.01(cm)的情况下，存在为了完全气化提供的液体而需要长时间的倾向。
在本发明中，下一道，通过气化提供于基板间的挥发性液体来从基板间去除液体，使第1基板与第2基板贴合。为了高效气化液体，不一定必须在常温、常压状态下执行。在不损害本发明效果的范围下，也可在加热、减压下高效气化液体。例如，在使用丙酮作为挥发性液体的情况下，最好在温度为20～50℃、常压或减压下气化。若考虑制造，则最好在常温、常压下进行气化。特别是，虽然可在高温下实现气化工序的缩短，但气泡的痕迹容易残留于基板上，所以期望在常温下气化。气化的时间也取决于使用的挥发性液体的气化温度和压力。例如，在作为挥发性液体提供上述丙酮，在3英寸晶片的基板中有不足10μm的基板间间隙的情况下，只要在常温、常压下的气化中维持使两个基板接触两小时的状态即可。
在本发明的气化挥发性液体的工序中，实质上没设有为了使两个基板接触的加压工序。因此，在未夹持上方基板的情况下，通过自重而经挥发性液体与下方基板接触。另外，通过气化挥发性液体，形成基板彼此的接触状态。因此，可以极度减小在基板间产生变形的应力。
这里，详细描述本发明的在提供所述挥发性液体之后，通过挥发性液体的蒸发来形成贴合基板的紧贴状态。
根据本发明的方法，通过向接近或局部接触的基板之间提供挥发性液体，利用在液体与基板之间作用的引力，使基板彼此拉近。之后，两个基板伴随挥发性液体的蒸发，在基板之间形成紧贴状态。因此，由于使基板变为紧贴状态的力非常小，另外，在液体介入的整个面中非常均匀地作用。结果，可容易得到变形小的贴合基板。
通常，液体的表面张力由液体内部的分子间力产生，固体上的液体的浸润性取决于表面张力的大小。即，例如在向玻璃板上滴下水银等表面张力大的液体的情况下，液体大致成为球状，不会在玻璃板表面展开。
另一方面，水或丙酮等在玻璃板或氧化物结晶基板上容易展开，浸润性高。浸润性高意味着与固体的引力(吸附力)大。因此，在向接近的两个基板间注入浸润性高的液体的情况下，液体在整个面内快速展开，两个基板彼此相互吸引，形成紧贴状态。
在本发明的基板贴合方法中，在挥发性液体蒸发的同时，基板间的距离慢慢变小，容易形成分子间力作用的基板间距离。此时，在基板间距离变小的过程中，因为受到的力小且均匀，所以可抑制局部变形的发生，得到变形非常小的贴合基板。
本发明中，以促进提供给贴合面的挥发性液体的去除、使残留在贴合面上的挥发性液体有效脱离及光波导的形成等为目的，也可在第1基板的表面与第2基板的表面至少一个基板的表面中形成沟。
在上述现有技术等通过加压使贴合的面紧贴的方法中，虽然形成于贴合面中的沟起到应力的局部缓和的作用，但作为得到的直接接合基板整体，构成变形的因素。另一方面，在作为本发明方法的利用液体表面张力的基板贴合方法中，由于本质上没有因来自外部的加压而产生变形，所以在形成有沟的情况下也可得到变形小的贴合基板。
作为形成的沟之截面形状，如图2(a)～(d)所示，例如有三角形，正方形、长方形、梯形等四方形，圆形，椭圆形等，没有特别限定。另外，图2中，21是第1基板，22是第2基板，23是形成的沟。另外，沟23的全部形状不必相同。例如，在根据目的的不同而形成多个沟的情况下，各个沟的形状也可根据目的而不同。也可设置深度不同的两种以上的截面形状的沟。
另外，就沟的深度而言，可根据目的来选择，也可设置在一条沟内设置倾斜、深度连续慢慢变大的沟、或在一条沟内阶段地具有多个深度的沟。例如，通过向基板的外周部加深深度，可以在基板内部通过毛细管现象均匀扩散挥发性液体，同时，可以有效地进行蒸发去除。
另外，作为沟的宽度，最好为100μm以下，作为沟的深度，最好为0.1μm以上。若在上述范围之外，则当通过研磨来薄板化直接接合基板时，存在沟部分变形的倾向。由于这种变形，例如在制作光波导器件的情况下，存在传输损耗增大的倾向。
所述沟为了去除挥发性液体等，最好沟的末端的至少一个部位以上是到达基板的末端。
在沟的形成中，最好沟不偏在于贴合面的一部分。具体而言，在贴合第1基板的表面或第2基板的表面的面内引出虚拟中心线的情况下，最好在面内以沟相对所述虚拟中心线大致形成对称结构而平衡配置。这里，所谓虚拟中心线是指沟的配置图案大致呈线对称的中心线。
就形成有多个沟的情况而言，在沟形成的部分于基板上的面内不均匀存在的情况下，在面内部分中，产生接触面积的不均匀，存在容易产生变形的倾向。
另外，作为所述基板表面中的沟的配置，不特别限定为点状、条纹状、格子状等。但是，其中从分散接合了的基板之变形应力来看，最好是格子状。
即便在沟的形成在面内不偏在、平衡优良的配置的情况下产生局部变形时，也具有降低在从基板整体看时的变形之产生的效果。具体而言，在为图3所示的格子状的沟，所述沟的深度、宽度相同即垂直截面形状相同的情况下，变形变小。另外，图3是表示沟的配置图案一例的模式图，图3中，14为所述第1或第2基板，15为形成为格子状的沟。
并且，也可在第1基板的表面与第2基板的表面中至少任一基板的表面中，形成由电介质材料或金属材料构成的薄膜。一般而言，薄膜可以高精度控制均匀的膜厚。另外，尤其是因为电介质可通过材料选择来实现各种折射率或吸收系数，所以作为直接接合基板的制作方法，最好是经电介质薄膜的直接接合。尤其是在光波导型光学器件中，可选择对波导光损耗低的材料。例如与利用接合(bonding)方法的接合基板来制作光学元件的方法相比，利用在与光波导接触的部分中使用电介质薄膜的直接接合基板的方法有效。
在通过作为现有技术的加压使成膜的基板紧贴的情况下，必需使因成膜工序产生的基板变形、与因要贴合的基板彼此的特性(基板厚度或形状、材料特性的不同等)产生的变形分布一致。但是，在本发明的利用液体表面张力的基板贴合方法中，本质上不产生因来自外部的加压而引起的变形。因此，由于可在成膜的基板中使变形的分布一致，所以可减小变形。尤其是因为成膜时产生的变形可通过成膜条件加以控制，所以可得到变形小的贴合基板。
作为薄膜，例如通过溅射SiO2或SiN、低融点玻璃、Ta2O5等金属氧化物等来形成薄膜的方法等。薄膜的膜厚最好是10～400μm。
为了进一步增加紧贴固定强度，加热处理通过本发明的方法得到的贴合基板。通过该加热处理，形成更牢固接合的贴合基板(直接接合基板)。热处理方法可采用通过烤箱等的方法，但不特别限定。加热条件，由于在急剧升温的情况容易产生变形，所以最好以50～500℃/小时升温。另外，虽然因基板的材料不同而各异，但通常例如优选升温到300～1000℃、更优选是350～800℃，并在最高温度下保持1～3小时左右之后，停止加热，慢慢冷却。即便通过本发明的方法得到的直接接合基板实施加热处理工序，也可维持低变形性、低弯曲性。
由本发明的贴合基板得到的直接接合基板之变形大小，作为一例，例如就厚度为0.5～1.0mm的3英寸基板尺寸而言，可达到0.1μm/mm以下。因此，可对应于使用高精度加工的器件制作。
如此得到的变形、弯曲小的直接接合基板，最好用于光波导元件等光学器件元件或功能性器件元件等的用途中。
下面，进一步具体说明本发明的实施方式。这里，以氧化物电介质结晶基板的直接接合作为基板贴合工序之例，以使用强电介质结晶的LN结晶基板和MgO:LN结晶基板作为直接接合的两个基板之例进行说明，但本发明不限于该构成。
(实施方式1)
在实施方式1中，说明使用本发明方法的贴合基板及直接接合基板的基板变形和弯曲非常小的直接接合基板的有效性。
另外，在本实施方式中，所谓基板变形，是指相对于具有高平坦度(例如在直径为50mm的面内确保150nm以下平坦性的状态)的外部参照面、基板表面的平坦性无方向地变化的状态。另外，所谓基板弯曲是指因基板变形的积累而基板相对外部参照面弯曲的状态。
下面，具体说明本发明的基板贴合方法、贴合基板及直接接合基板。
图1表示在本发明的工序中、注入挥发性液体、并通过其表面张力使基板彼此拉近后形成紧贴状态的工序。图1(a)～图1(d)中，3是X切割的MgO:LN结晶基板(直径：3英寸Ф，厚度：0.5mm，表面粗糙度：5nmRa以下，基板弯曲：0.1μm/mm以下)，4是X切割的LN结晶基板(直径：3英寸Ф，厚度：1.0mm，表面粗糙度：5nmRa以下，基板弯曲：0.1μm/mm以下)，5是用作液体注入装置的喷嘴，6是作为挥发性液体的丙酮。
对所述MgO:LN结晶基板3以及LN结晶基板4各自贴合的面执行光学(镜面)研磨。另外，在本实施方式中，选择丙酮作为挥发性液体，但即便在使用例如水或乙醇的情况下也可得到同样的效果。但是，为了在短时间内形成紧贴状态，最好使用常温下蒸发速度快的乙醇或丙酮等有机溶剂。
在本实施方式所示的基板贴合方法中，首先，亲水性处理MgO:LN结晶基板3的贴合面以及LN结晶基板4的贴合面。具体而言，在对MgO:LN结晶基板3及LN结晶基板4各自的贴合面实施丙酮超声波洗净后，浸泡在氨水∶过氧化氢水∶纯水＝1∶1∶6的混合溶液中15分钟以上，在由纯水冲洗后，执行干燥处理。
之后，如图1(a)所示，在使MgO:LN结晶基板3与LN结晶基板4的结晶轴方向一致的状态下夹持，使执行了亲水性处理的MgO:LN结晶基板3之贴合面与LN结晶基板4的贴合面接近。在该状态下，不形成基板的紧贴状态，贴合的两个基板各自的变形彼此不影响。另外，除非两个基板的贴合面彼此完全平行，则例如释放配置于图1(a)中的上部之MgO:LN结晶基板3的夹持也好，由于基板间产生空隙，所以基本上不产生基板的紧贴状态。在本实施方式中，在将MgO:LN结晶基板3配置在LN结晶基板4上并提供挥发性液体之后，如下所述，释放上基板3。因此，MgO:LN结晶基板3利用自重而经挥发性液体与LN结晶基板4面对。
接着，如图1(b)所示，使用喷嘴5，向基板的贴合面内注入200μL丙酮6。在接近的基板间，丙酮6瞬间展开，如图1(c)所示，形成在不足10μm的间隙中夹入丙酮6的紧贴状态。在该状态下，若在常温、常压下解除基板的夹持，则在丙酮6气化的同时，基板间距离变小，最终如图1(d)所示，得到在中间没有介入物的贴合基板。
为了增大紧贴固定强度，可进一步将得到的贴合基板进行加热处理。通过本发明得到的贴合基板，即便通过加热处理也不会产生或增大变形。在热处理中使用烤箱，为了防止接合基板的剥离或急速加热造成的破损，以升温速度100℃/h从25℃加热到500℃，在500℃下保持1小时后，降温。这样得到直接接合基板。
这里，示出本发明实施方式1得到的MgO:LN结晶基板与LN结晶基板的直接接合基板变形的测定结果一例。图5(a)中，1是X切割的MgO:LN结晶基板，2是X切割的LN结晶基板。另外，图5(a)中示出直接接合基板的干涉显微镜观察像。
通过干涉显微镜像观察来执行变形的评价。干涉显微镜像观察如上所述，可视觉上观察测定基板表面相对于具有150nm以下精度的高平坦度之外部参照面的平行度。由此，可评价基板弯曲的大小。
在干涉显微镜像观察中，使用波长为633nm的激光光源，透过参照面，照射应测定的物体表面，根据来自参照面和物体表面的反射光之干涉状态，可测定物体表面相对参照面的倾斜(＝物体面的平坦度)。
得到的干涉显微镜像中的干涉条纹之从亮部至相邻亮部(或从暗部至暗部)的光路差约为0.3μm。因此，应测定的直接接合基板在完全没有弯曲的情况下，通过调整支承物体的载物台的角度，可使物体表面变为相对参照面完全平行的状态，得到没有干涉条纹的观察像。
再说，弯曲的大小是，当从直接接合基板表面内的任意A点移动到B点时，则测定从A点以及B点各至参照面的距离之差，并利用相对1mm错位的从参照面到直接接合基板表面的距离错位(μm/mm)来评价的。
具体而言，在从观察像中心以同心圆状观察20条干涉条纹来作为干涉显微镜观察像的情况下，由于每1条干涉条纹的光路差、即距参照面的距离差为0.3μm，可知周边部相对观察像中心部弯曲6μm左右。此时，若观察视野的大小例如为Ф50mm，则基板弯曲的大小为0.12μm/mm。
为了比较，图5(b)中示出使用现有基板贴合方法制作的直接接合基板的干涉显微镜像。图5(b)中，观察到的基板之弯曲的大小约为0.8μm/mm。这相当于在3英寸晶片整体中看时的60μm以上的非常大的基板弯曲。如图5(a)的干涉显微镜观察像所示，使用本发明的基板贴合方法制作的直接接合基板的弯曲在3英寸基板尺寸中为小至5μm以下(0.1μm/mm以下)，可对应于使用高精度加工的器件制作。
作为实施方式1的另一例，在贴合的基板的至少一个基板之接合面中形成了沟的情况下，可得到同样变形小的直接接合基板。形成于贴合面中的沟，促进供给到贴合面的挥发性液体的去除。例如即便在所述加热处理工序中，也具有可使接合面上的水分子或残留的丙酮等高效地从直接接合基板脱离的效果。在现有技术中，在贴合面中形成的沟，起到在加压工序中缓和局部应力的作用。这构成直接接合基板整体变形的因素。但是，在本发明的基板贴合方法中，由于本质上不产生基于来自外部的加压之变形，所以可得到变形小的贴合基板。尤其是为了构成沟的形成方向、宽度、长度、深度在面内大致均匀的图案，例如在为图3所示的格子状的沟的情况下，可进一步降低变形的产生。另外，所述沟从其功能方面看期望至少一个部位以上到达直接接合基板的侧端面。
作为实施方式1的另一例，图4中示出在基板的贴合面中堆积由电介质材料或金属材料构成的薄膜的一例。图4中，16是X切割的MgO:LN结晶基板，17是X切割的LN结晶基板，18是堆积在MgO:LN结晶基板16上的电介质材料构成的薄膜。在本实施方式中，使用Ta2O5作为薄膜18，其厚度为100～400nm。薄膜18通过溅射堆积在MgO:LN结晶基板16上。
之后，为了形成作为直接接合基板应用之光波导器件，也可如后所述，执行直接接合基板的表面研磨、薄板化，以将结晶基板的厚度最终薄至3～4μm。以光波导等光学器件为目的的薄板化研磨，要求±0.1μm以下的非常高的精度，作为厚度精度。因此，直接接合基板的变形或弯曲大小直接影响器件的特性和制作合格率。通过使用本发明的方法得到的变形小的直接接合基板，可对研磨夹具保持均匀的面。例如，可在3英寸基板的大致整个面中实现高精度研磨。
(实施例方式2)
在实施方式2中，说明通过本发明的方法得到的直接接合基板。
由半导体或氧化物材料构成的结晶基板的光波导型器件是实现超小型功能性器件的有效部件。至此，通过功能性结晶的光波导化，研究开发了光栅器件、开关器件、波长变换器件等多种小型功能性器件。通常，这些结晶基板中的光波导形成，利用基于杂质掺杂的局部折射率变化。但是，由于通过杂质掺杂而结晶基板的功能性(光透过率或非线性光学常数等)下降的情况多，所以要求新的光波导的形成方法。作为解决上述课题的手段，研讨直接接合技术、尤其是不同种类材料间的直接接合基板。例如，在直接接合由功能性材料构成的结晶基板与Si基板之后，将Si基板作为支撑基台，对功能性材料结晶基板进行薄板化研磨，执行脊形状加工，由此可形成由没有杂质掺杂的功能性材料构成的3维光波导。
光波导型功能性器件中最重要的是光波导中波导的光之传输常数的控制与均匀性。在传输常数不均匀的情况下，器件特性变差。例如在用于光栅器件中的情况下，若传输常数在光波导的传输方向上变化，则由于光栅的实效周期结构混乱，所以衍射效率恶化。另外，在用于光调制器等开关器件的情况下，若在传输常数中产生分布，则S/N比较大地恶化。
另外，在用于以波长变换器件为代表的非线性光学器件中的情况下，在传输常数不均匀的情况下，产生相位整合条件的混乱，使变换效率大幅度降低。因此，在使用现有直接接合基板的光波导型器件中，其应用范围被限定，另外，制作合格率也大大影响。尤其是在使用串行模式光波导、利用传输常数来执行光控制的器件中，对传输常数的均匀性的要求严格，难以确保批量水平下的特性。
在使用直接接合基板的光波导型器件中，基板的变形或弯曲成问题的是(A)光波导的形状、和(B)对光波导的局部应力产生的折射率分布，这两点。
第1问题是基板的变形或弯曲对光波导的形状造成大的影响。如上所述，在使用直接接合基板来制造光波导型器件的情况下，薄板化研磨工序与脊加工工序成为重要的工序。从器件设计、器件特性和合格率的观点看，在薄板化研磨工序中以均匀厚度进行研磨是重要的。因此，使基板的平坦度提高是重要的。
另外，因为在脊加工工序中采用划线或干蚀刻等手法，所以接合基板的平坦性对加工精度的影响大。因此，使直接接合基板的变形或弯曲降低是重要的。
为了掌握弯曲与加工形状的相关性，研讨了3英寸晶片的LiNbO3结晶基板与3英寸晶片的MgO掺杂LiNbO3结晶基板的不同种类材料间的直接接合。作为试件(1)：通过使用实施方式1所示的本发明挥发性液体贴合的方法，以及作为试件(2)、(3)：通过包含现有加压工序的方法，执行直接接合而准备了弯曲为(1)以所述评价方法的测定界限之0.1μm/mm以下、(2)0.5μm/mm、(3)1.0μm/mm的各直接接合基板。另外，比较了通过薄板化研磨工序的加工形状的各面内差异。
再说，薄板化工序，首先以粒度号#600将各直接接合基板研磨到厚度20μm左右，接着，利用钻石磨粒(粒径：1μm)研磨至厚度10μm左右，然后，利用胶质二氧化硅(粒径：0.05～0.1μm)研磨至厚度3～4μm。
图6(a)～图6(c)中示出薄板化研磨所述各接合基板时的基于干涉显微镜观察像的研磨厚度分布。图6(a)是弯曲为(1)0.1μm/mm以下的基板，图6(b)是弯曲为(2)0.5μm/mm的基板，图6(c)是弯曲为(3)1.0μm/mm的基板之干涉显微镜观察像。就弯曲为(3)1.0μm/mm的基板而言，难以在薄板化研磨工序中均匀贴合到研磨钻模上，最终研磨厚度不均大。从图6(a)～(c)可知，在直接接合基板的弯曲与薄板化研磨工序中的最终研磨厚度不均之间存在明确相关。
例如在得到器件尺寸是在光波导传输方向上为10mm长度的元件的情况下，从加工形状的观点看，厚度分布优选为图6(a)或图6(b)的状态。另外，从批量时的合格率观点看，厚度分布更优选为图6(a)的状态。即，直接接合基板的弯曲，从加工精度的观点看，最好是0～0.5μm/mm，从批量时的合格率观点看，最好是0～0.1μm/mm。
另外，若比较通过上述研磨而薄板化后的各直接接合基板将820nm的来自半导体激光器的光变换至波长为410nm光的波长变换效率，则在使用具有0.1μm/mm以下弯曲的直接接合基板(1)的情况下，波长变换效率为300～350％/W。相反，在使用具有0.5μm/mm以上的弯曲之直接接合基板(2)的情况下，波长变换效率为200～280％/W。另外，在使用具有1.0μm/mm弯曲的直接接合基板(3)的情况下，波长变换效率为70％/W以下。基板弯曲呈现为这种波长变换效率的不同。
第2问题是由于在光波导中应力局部集中，产生折射率分布。所述折射率分布的产生影响器件特性。当形成光波导时，则基板的弯曲因应力而产生折射率分布的变化。另外，例如在光波导的传输方向或光波导的深度方向等的应力分布，也可想到实效地使折射率变化。尤其是光波导传输方向的折射率分布，使器件特性大幅度恶化。从这种观点看，通过本发明的本质上没有包括加压工序的方法而贴合的基板所构成的直接接合基板，由于内部应力被尽量降低，所以优选使用。
这里，例举光波导型的非线性光学器件的实例。
例如，若在MgO:LN结晶基板中形成具有周期性的极化反转结构之光波导，则得到高效率的波长变换元件。所述波长变换元件是可使在光波导中传输的基波变换为波长不同的高次谐波的器件。在光波导全长中使基波与高次谐波的传输常数一致的所述波长变换元件，可高效率地变换波长。但是，基板的弯曲造成的局部应力集中，使折射率发生变化。所述折射率的变化使传输常数产生分布，使波长的变换效率下降。
另外，可考虑到在波长变换效率下降的原因中，存在基于局部应力的折射率变化引起的周期性极化反转结构之周期性混乱。周期性极化反转结构，例如在执行直接接合之前，通过光刻与干蚀刻等形成周期性图案的电极，并施加高电压电场来得到。该周期性极化反转结构是为了光波导具有均匀的传输常数而设计的，前提是以光波导形状和折射率在器件长度整体中为恒定。光刻加工可形成精度非常高的周期图案，形成的周期性极化反转结构也是均匀周期(uniform period)。但是，若存在因上述应力而产生的折射率分布，则由于实效的折射率在光波导内(根据基板变形或弯曲状态)无规则地变化，所以损害周期结构的均匀性。即便对任一因素而言，可知基板弯曲对元件特性造成大的影响。若从元件特性的观点看，期望基板弯曲为0～0.5μm/mm，并且，若考虑面内均匀性和元件合格率，则基板弯曲最好是0～0.1μm/mm。
虽已详细说明本发明，但上述说明就全部方面而言仅是示例，本发明不限于此。可知在不脱离本发明的范围下，存在未示例的无数变形例。
产业上的可利用性
根据本发明，可适用于利用半导体材料、金属材料、陶瓷材料等相同种类基板间或不同种类基板间的直接接合之器件制作加工。

Claims (14)

1.一种基板贴合方法，其特征在于，包括如下工序：
使第1基板的表面与第2基板的表面接近或部分接触的工序；
在所述接近或部分接触的工序之后，向所述第1基板的表面与所述第2基板的表面之间提供挥发性液体的工序；和
在所述提供挥发性液体的工序之后，使所述挥发性液体气化而使基板贴合的工序。
2.根据权利要求1所述的基板贴合方法，其特征在于还包括，
对所述第1基板与所述第2基板中的至少一方的表面进行亲水性处理的工序。
3.根据权利要求1或2所述的基板贴合方法，其特征在于，
所述第1基板与所述第2基板中的至少一方的表面被平滑处理。
4.根据权利要求1或2所述的基板贴合方法，其特征在于，
在所述第1基板与所述第2基板中的至少一方的表面上形成有沟。
5.根据权利要求4所述的基板贴合方法，其特征在于，
所述沟以相对虚拟中心线大致呈对称结构的方式形成。
6.根据权利要求4所述的基板贴合方法，其特征在于，
所述沟的深度、宽度以在所述基板的整个贴合表面上相同的方式形成。
7.根据权利要求4所述的基板贴合方法，其特征在于，
所述沟具有两种以上的垂直截面形状。
8.根据权利要求7所述的基板贴合方法，其特征在于，
所述沟的垂直截面积越是朝向所述基板的外周部，越是连续或不连续地变大。
9.根据权利要求1所述的基板贴合方法，其特征在于，
在所述第1基板与所述第2基板中的至少一方的表面上，形成有由电介质材料或金属材料构成的薄膜。
10.根据权利要求1所述的基板贴合方法，其特征在于，
所述挥发性液体由在1个大气压下的沸点为100℃以下的有机溶剂构成。
11.根据权利要求1所述的基板贴合方法，其特征在于，
所述第1基板与所述第2基板中的至少一方的基板，是氧化物结晶基板。
12.根据权利要求1所述的基板贴合方法，其特征在于，
所述第1基板与所述第2基板中的至少一方的基板，是由LiNbxTa(1-x)O3，0≤x≤1的结晶构成的基板。
13.一种贴合基板，其特征在于，使用权利要求1所述的基板贴合方法得到。
14.一种直接接合基板，其特征在于，通过加热处理权利要求13所述的贴合基板得到。
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