KR20090073167A

KR20090073167A - 물질의 접합 방법, 물질 접합 장치, 및, 접합체와 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20090073167A
Application number: KR1020097007819A
Authority: KR
Inventors: 가즈요시 이토; 다카유키 다마키
Original assignee: 오사카 유니버시티
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2009-07-02
Also published as: CN101553340A; KR101091370B1; WO2008035770A1; EP2075082A4; JPWO2008035770A1; EP2075082B1; US20100047587A1; EP2075082A1; JP4894025B2

Abstract

비선형 흡수 현상에 의한 물질의 접합을 실시하는데 있어서, 초단광 펄스 레이저의 초점 형성 위치를 정확하게 형성하는 것의 곤란성을 대폭 완화하고, 실용에 적합한 2개의 물질의 접합 방법과 접합 장치, 및, 접합물과 그 제조 방법을 얻는다. 초단광 펄스 레이저 빔에 의해 비선형 흡수 현상을 발생시켜 2개의 물질을 접합하는 방법으로서, 상기 2개의 물질 중, 상기 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측의 물질이 투명 재료(1)로 이루어지고, 전기 투명 재료(1)로 이루어지는 물질 내에서의 상기 초단광 펄스 레이저 빔의 자기 집속 효과에 의해 생기는 필라멘트 영역(6)을, 상기 2개의 물질의 접합면에 생성시켜 상기 2개의 물질을 접합한다.

Description

물질의 접합 방법, 물질 접합 장치, 및, 접합체와 그 제조 방법{SUBSTANCE JOINING METHOD, SUBSTANCE JOINING DEVICE, JOINED BODY, AND ITS MANUFACTURING METHOD}

본 발명은, 초단광 펄스 레이저 빔에 의해 2개의 물질을 접합하는 접합 방법, 및 그 접합에 이용되는 물질 접합 장치, 또한, 그 접합 방법을 이용하여 제조된 접합체와 그 제조 방법에 관한 것이다.

펨토(1×10^－15)초로부터 피코초(1×10^-12) 오더의 초단광 펄스 레이저(펨토초레이저라고도 한다)를 이용하여, 투명한 재료로 이루어지는 2개의 물질을 접합하는 방법이 알려져 있다(특허 문헌 1).

이 방법은, 실리카 유리 등의 초단광 펄스 레이저 빔에 대해 투명한 물질을 중첩시켜 압착 유지하고, 그 맞닿는 부분분에 집광하도록 조정된 초단광 펄스 레이저 빔을 조사하고, 레이저 빔에 의한 다광자 흡수 현상을 생성시킴으로써, 중첩된 피접합 물질 중 적어도 어느 한쪽을 용융시켜 접합하는 것이다.

이와 같이, 레이저 빔에 의한 다광자 흡수 현상을 이용함으로써, 종래, 투명한 물질끼리를 레이저 접합할 때에 필요했던 접합 물질 사이에서 흡광재를 배치하 는 것이 필요 없어지므로, 접합 작업이 용이하게 되고, 또, 흡광재에 의한 투과율의 저감 등의 문제가 생기지 않는 등의 효과를 가지는 것이다.

[특허 문헌 1：일본국 특허 공개 2005－66629호 공보]

[발명이 해결하려고 하는 과제]

그러나 상기 종래의 방법에서는, 초단광 펄스 레이저 빔의 초점을 2개의 피접합 물질의 맞닿는 부분분에 정확하게 형성할 필요가 있는 한편, 피접합 물질이 레이저 빔에 대해 투명하기 때문에, 레이저 빔의 초점 형성 위치가 상당히 알기 어려운 문제가 있었다.

이 때문에, 상기 종래의 방법에서는, 예를 들면 2장의 유리를 접합할 경우에 그 한쪽 면에 미리 레이저 어브레이션에 의해 상처를 만들어 놓고, 접합면을 광학적으로 검출할 수 있게 하거나, 접합면의 측방으로부터 할로겐 램프를 조사하여 레이저 빔의 집속 상황과 접합 상황을 확인하면서 접합 작업을 실시할 필요가 있었다. 또, 2개의 피접합 물질의 맞닿는 부분분에 정확하게 레이저 빔의 초점을 형성해야 하는 제약으로부터, 레이저 빔의 입사 방향을 접합면과 수직으로 유지해야 된다는 과제도 생기고 있었다.

그래서 본 발명은, 상기한 종래의 과제를 해결하여 다광자 흡수 현상에 의한 물질의 접합을 실시하는데 있어서, 초단광 펄스 레이저의 초점 형성 위치를 정확하게 형성하는 것의 곤난성을 대폭 완화하고, 실용에 적합한 물질의 접합 방법과 그를 위한 물질 접합 장치, 그리고, 그 접합 방법을 이용하여 제조된 접합체 및 접합체의 제조 방법을 얻는 것을 목적으로 한다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 물질의 접합 방법은, 초단광 펄스 레이저 빔에 의해 비선형 흡수 현상을 발생시켜, 2개의 물질을 접합하는 방법으로서, 상기 2개의 물질 중, 상기 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측에 위치하는 제1 물질이 투명 재료로 이루어지고, 상기 제1 물질 내에서의 상기 초단광 펄스 레이저빔의 자기 집속 효과에 의해 생기는 필라멘트 영역을, 상기 2개의 물질의 접합면에 생성시켜 상기 2개의 물질을 접합하는 것을 특징으로 한다.

또한, 여기에서, 제1 물질이 투명 재료로 이루어진다는 정의에서의 투명이란, 접합되는 물질에 초단광 펄스 레이저 빔이 입사되었을 때에, 비선형 흡수 현상이 생기는 범위에서 투명하다는 의미이다. 따라서, 접합되는 물질이, 가시광에 대해 투명한지 아닌지는 문제가 아니다. 즉, 부재로서 일반적으로 높은 투명도를 가지고 있다고 인식되어 있는지 아닌지는 본 발명에서는 문제는 되지 않고, 만일, 일반적으로 보고 높은 투명도를 가지지 않다고 판단되는 부재이라도, 초단광 펄스 레이저 빔이 비선형 흡수 현상을 발생시키는 한에서, 본 발명에서의 정의에서는, 그 물질은 투명 재료로 이루어지는 물질이라고 하게 된다. 본 명세서에서 「투명」이라고 할 경우는, 상기 정의에 의하는 것으로 한다.

본 발명의 제1 물질의 접합 방법에 있어서, 상기와 같이 함으로써, 소정 길이에 걸쳐 생성되는 필라멘트 영역에서 2개의 물질을 접합할 수 있기 때문에, 초단광 펄스 레이저 빔의 초점 위치를 정확하게 2개의 피접합 물질의 맞닿는 부분에 위치 조정할 필요가 없어지고, 실용에 적합한 접합 방법을 제공할 수 있다.

또, 본 발명의 제2 물질의 접합 방법은, 초단광 펄스 레이저 빔에 의해 비선형 흡수 현상을 발생시켜 2개의 물질을 접합하는 방법으로서, 상기 2개의 물질 중, 상기 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측에 위치하는 제1 물질이 투명 재료로 이루어지고, 상기 2개의 물질 중, 상기 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측과는 다른측에 위치하는 제2 물질이 상기 초단광 펄스 레이저 빔을 반사하는 물질인 것을 특징으로 한다.

이와 같이 함으로써, 2개의 물질의 맞닿는 부분에서 초단광 펄스 레이저 빔이 반사되기 때문에, 그 초점 위치를 용이하고 정확하게 검출할 수 있으므로, 펄스 레이저의 초점 위치를 맞닿는 부분에 위치 조정하는 것에 각별 곤란한 작업이 필요하지 않고, 실용에 적합한 접합 방법을 제공할 수 있다.

또, 본 발명의 제1 물질 접합 장치는, 초단광 펄스 레이저 빔을 조사하는 조사 수단과, 피접합물인 2개의 물질 중, 투명 재료로 이루어지는 제1 물질을 상기 초단광 펄스 레이저 빔의 입사측에, 제2 물질을 그 반대측으로 하고, 상기 2개 물질을 압착 상태에서 유지하는 유지 수단과, 상기 유지 수단을 탑재하고 상기 2개의 물질의 상기 초단광 펄스 레이저 빔에 대한 상대적인 위치를 변경시키는 이동 수단을 구비하고, 상기 조사 수단은 상기 초단광 펄스 레이저 빔을 상기 2개의 물질의 접합면을 포함하는 부분에 필라멘트 영역을 생성하도록 하는 조사 조건으로 조사하는 것임을 특징으로 한다.

이와 같이 함으로써, 2개의 물질의 접합면의 원하는 위치에 필라멘트 영역을 생성시켜 2개의 물질의 접합을 용이하게 실시할 수 있는 접합 장치를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 물질 접합 장치는, 초단광 펄스 레이저 빔을 조사하는 조사 수단과, 피접합물인 2개의 물질 중, 투명 재료로 이루어지는 제1 물질을 상기 초단광 펄스 레이저 빔의 입사측으로, 상기 초단광 펄스 빔을 반사하는 제2 물질을 그 반대측으로 하고, 상기 2개의 물질을 압착 상태에서 유지하는 유지 수단과, 상기 유지 수단을 탑재하고, 상기 2개의 물질의 상기 초단광 펄스 레이저 빔에 대한 상대적인 위치를 변경시키는 이동 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 함으로써, 투명 재료로 이루어지는 제1 물질과, 초단광 펄스 빔을 반사하는 제2 물질을 용이하게 접합할 수 있는, 실용성이 풍부한 접합 장치를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 접합체는, 본 발명의 제1 물질의 접합 방법을 이용하여 2개의 물질을 접합하고 제조된 것이다. 또, 본 발명의 접합체의 제조 방법은, 본 발명의 제1 물질의 접합 방법을 이용하여 접합체를 제조하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 함으로써, 투명한 부재와 더 하나의 부재를 접합한 접합체를 용이하게 제조할 수 있다.

[발명의 효과]

본 발명의 물질의 접합 방법, 물질 접합 장치 및 접합체와 그 제조 방법에 따르면, 비선형 흡수 현상을 이용하여 2개의 물질의 접합을 실시하는데 있어서, 초단광 펄스 레이저 빔의 초점을 정확한 위치로 형성하는 것의 곤란성을 대폭 완화하고, 실용에 적합한 상황에서 2개의 물질의 접합을 실시할 수 있고, 2개의 물질의 접합체를 용이하게 얻을 수 있다.

도 1은 필라멘트 영역의 생성 상태를 나타내는 이미지도이다.

도 2는 필라멘트 영역의 생성 조건과 생성 상황을 나타낸다.

도 3은 2개의 물질의 접합 과정을 나타내는 이미지도이다.

도 4는 피접합 물질을 고정하는 지그의 개략을 나타내는 사시도이다.

도 5는 접합 강도 시험기의 이미지도이다.

도 6은 빔을 경사해 대조 조사하는 상황을 나타내는 이미지도이다.

도 7은 본 발명의 실시 형태에 관련되는 물질 접합 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1 제1 물질 2 제2 물질

3 집속 렌즈 4 초단광 펄스 레이저 빔

5 초점 6 필라멘트 영역

7 접합 영역 8 접합부

9 레이저 빔 10 가압력

11 레이저 빔 주사 방향 12 개질(변질) 영역

13 상측 플레이트 14 하측 고정 플레이트

15 돌기 16 고정 나사

17 베이스 18 지주

19 풀리 블록 20 와이어

21 접시 22 가중

23 경사 방향 24 레이저 조사 장치

25 ND필터 26 셔터

27 오목 렌즈 28 볼록 렌즈

29 어퍼쳐 30 밀러

31 카메라 32 제어장치

33 XY 스테이지

본 발명의 제1 물질의 접합 방법은, 초단광 펄스 레이저 빔에 의해 비선형 흡수 현상을 발생시켜 2개의 물질을 접합하는 방법으로서, 상기 2개의 물질 중, 상기 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측에 위치하는 제1 물질이 투명 재료로 이루어지고, 상기 제1 물질 내에서의 상기 초단광 펄스 레이저 빔의 자기 집속 효과에 의해 생기는 필라멘트 영역을, 상기 2개의 물질의 접합면에 생성시켜 상기 2개의 물질을 접합하는 것이다.

그리고, 이러한 본 발명의 제1 물질의 접합 방법은, 소정 길이에 걸쳐 생성되고 필라멘트 영역에서 2개의 물질을 접합할 수 있기 때문에, 초단광 펄스 레이저 빔의 초점 위치를 정확하게 2개의 피접합 물질의 맞닿는 부분에 위치 조정할 필요가 없어진다는, 실용에 적합한 접합 방법이다.

이와 같은, 본 발명의 제1 물질의 접합 방법에서, 상기 제1 물질이, 유리는 투명한 수지인 것이 바람직하다. 투명 재료로 이루어지는 물질로서 이러한 물질을 이용함으로써, 레이저 빔의 자기 집속 작용에 의해 필라멘트 영역을 양호하게 생성시킬 수 있다.

또한, 상기 2개의 물질 중, 상기 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측과는 다른측에 위치하는 제2 물질이, 상기 제1 물질과 동종의 투명 재료로 할 수 있다.

또, 상기 2개의 물질 중, 상기 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측과는 다른측에 위치하는 제2 물질이, 상기 제1 물질과는 이종의 물질로 할 수 있다. 이 경우에, 상기 제2 물질이, 유리, 금속, 실리콘, 금속 혹은 실리콘의 화합물, 반도체 혹은 반도체 화합물, 또는, 수지 중의 어느 것임이 바람직하고, 또한, 상기 금속이 스테인리스, 철, 강, 알루미늄, 또는, 구리 중 어느 것, 또는 이들 중의 적어도 하나의 합금인 것이 바람직하다.

이와 같이 함으로써, 본 발명의 제1 물질의 접합 방법의 실용성을 활용하고, 종래는 접합 곤란했던 물질끼리도 용이하게 접합할 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 물질의 접합 방법에서, 상기 초단광 펄스 레이저 빔이, 상기 2개의 물질의 접합면에 대해 소정 각도 경사진 상태로 입사하는 것, 그리고, 상기 초단광 펄스 레이저 빔의 경사 방향이, 상기 초단광 펄스 레이저 빔의 주사 방향과 같거나 혹은 정반대의 방향인 것, 또는, 상기 초단광 펄스 레이저 빔의 주사 방향과 거의 직교하는 방향인 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 2개의 물질을 접합할 때의 레이저 빔 패스의 유도(裕度)를 넓히고 여러가지 상황에서의 접 합에 대응할 수 있고, 또, 초단광 레이저 빔을 2개의 물질의 접합면에 대해 수직으로 입사시킬 경우에 생기는 폐해를 방지할 수 있다.

또, 본 발명의 제1 물질의 접합 방법에서, 상기 2개의 물질이, 소정 간격을 두고 형성된 복수의 섬 형상 접합부에 의해 접합되어 있는 것, 혹은, 상기 2개의 물질이, 소정 간격을 두고 형성된 소정 길이를 가지는 복수의 선 형상 접합부에 의해 접합되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 2개의 피접합 물질로서, 예를 들면 금속과 유리와 같은, 열팽창 계수가 크게 다른 물질끼리를 접합할 수 있다.

또, 본 발명의 제2 물질의 접합 방법은, 초단광 펄스 레이저 빔에 의해 비선형 흡수 현상을 발생시켜 2개의 물질을 접합하는 방법이고, 상기 2개의 물질 중, 상기 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측에 위치하는 제1 물질이 투명 재료로 이루어지고, 상기 2개의 물질 중, 상기 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측과는 다른측에 위치하는 제2 물질이 상기 초단광 펄스 레이저 빔을 반사하는 물질인 것이다.

이러한 본 발명의 제2 접합 방법은, 2개의 물질의 맞닿는 부분에서 초단광 펄스 레이저 빔이 반사되기 때문에, 그 초점 위치를 용이하고 정확하게 검출할 수 있고, 펄스 레이저의 초점 위치를 맞닿는 부분에 위치 조정하는 것에 각별 곤란한 작업이 필요로 하지 않다는, 실용에 적합한 접합 방법이다.

그리고, 본 발명의 제2 물질의 접합 방법에서는, 상기 제2 물질이, 금속 또는 그 화합물인 것이 바람직하다. 또, 상기 초단광 펄스 레이저 빔이, 상기 2개의 물질의 접합면에 대해 소정 각도 경사진 상태에서 입사하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 제1 물질 접합 장치는, 초단광 펄스 레이저 빔을 조사하는 조사 수단과, 피접합물인 2개의 물질 중, 투명 재료로 이루어지는 제1 물질을 상기 초단광 펄스 레이저 빔의 입사측으로, 제2 물질을 그 반대측으로 하고, 상기 2개의 물질을 압착 상태에서 유지하는 유지 수단과, 상기 유지 수단을 탑재하고, 상기 2개의 물질의 상기 초단광 펄스 레이저 빔에 대한 상대적인 위치를 변경시키는 이동 수단을 구비하고, 상기 조사 수단은, 상기 초단광 펄스 레이저 빔을, 상기 2개의 물질의 접합면을 포함하는 부분에 필라멘트 영역을 생성하는 조사 조건으로 조사한다.

또, 본 발명의 제2 물질 접합 장치는, 초단광 펄스 레이저 빔을 조사하는 조사 수단과, 피접합물인 2개의 물질 중, 투명 재료로 이루어지는 제1 물질을 상기 초단광 펄스 레이저 빔의 입사측에, 상기 초단광 펄스 빔을 반사하는 제2 물질을 그 반대측으로 하고, 상기 2개의 물질을 압착 상태에서 유지하는 유지 수단과, 상기 유지 수단을 탑재하고, 상기 2개의 물질의 상기 초단광 펄스 레이저 빔에 대한 상대적인 위치를 변경시키는 이동 수단을 구비한다.

이와 같은, 본 발명의 제1 물질 접합 장치 및 제2 물질 접합 장치는, 2개의 물질의 접합면에의 초단광 펄스 레이저 빔의 조사와, 2개의 물질을 접합하기 위한 초단광 펄스 레이저 빔의 주사를 용이하게 실시할 수 있다.

또한, 본 발명의 접합체는, 본 발명의 제1 물질의 접합 방법을 이용하여, 2개의 물질을 접합하여 제조된 것이다. 또, 본 발명의 접합체의 제조 방법은, 본 발 명의 제1 물질의 접합 방법을 이용하여, 2개의 물질을 접합하는 것이다. 이와 같이 함으로써, 투명한 부재와 더 하나의 부재를 접합한 접합체를 용이하게 제조할 수 있다.

그리고, 본 발명의 접합체 및 그 제조 방법에 대해서는, 상기 2개의 물질이 기판 내에 반도체 영역이 형성된 반도체 기판과 투명 재료로 이루어지는 광학 소자인 것, 또는, 상기 2개의 물질이 모두 투명한 광학 소자인 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 광학 소자를 탑재한 반도체 소자나, 복수의 광학 소자가 접합된 복합적인 광학 소자를, 용이하게 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.

<제1 실시 형태>

이하, 본 발명의 제1 물질의 접합 방법을 제1 실시 형태로서 설명하지만, 구체적인 실시 형태의 설명을 하기 전에, 본 실시 형태에 관련되는 접합 방법에서의 가장 중요한 포인트인, 필라멘트 영역과 그 생성의 원리에 대해 설명한다.

펄스폭이, 펨토초로부터 피코초 오더의 초단광 펄스 레이저 빔이 유리 등의 투명 물질에 입사했을 때에는, 레이저 빔이 기본적으로 가우스형의 공간 강도 분포를 가지고 있기 때문에, 비선형 매질 중에서 광의 강도가 강한 중심 부분의 굴절율이 다른 부분에 비해 높아지고 매질 자체가 정(正)의 렌즈로서 작용한다. 이 때문에, 입사광이 일점에 집중하도록 하는 자기 집속 작용이 생기고, 초단광 펄스 레이저 빔은, 투명 물질 중을 유한 거리 전반한 후에 빔 직경이 극소가 된다고 생각된다.

그러나, 실제로는, 매질의 광이온화가 발생해서 물질 내에서 전자와 이온이 자유롭게 이동하는 상황이 되는 플라스마 형성이 발생하고 매질의 굴절률이 저감된다. 이와 같은 3차의 비선형 광학 효과와 플라스마 형성에 의한 굴절률의 감소가 균형이 맞으면, 초단광 펄스 레이저 빔은, 일정한 빔 직경인 채로 소정 거리를 전반한다. 이 현상을 필라멘테이션이라고 불러, 필라멘테이션이 일어나는 영역을 필라멘트 영역이라고 부른다. 그리고, 이 필라멘트 영역에서는, 플라스마 밀도가 일정하게 유지되고, 파괴적인 손해가 생기기 어려운 상황이 되어 있다고 생각된다.

또한, 발명자들이 확인한 바에 의하면, 펄스 레이저 빔의 피크 파워가 크면, 펄스폭이 100 나노(1×10^-9)초 정도까지는 필라멘트 영역이 형성되는 것이 알게 되었다. 본 실시 형태로 설명하는 본 발명에 관련되는 제1 물질의 접합 방법에서는, 필라멘트 영역을 생성시켜 이를 이용해 2개의 물질을 접합하는 것이므로, 필라멘트 영역의 생성이 접합에서의 초단광 펄스 레이저 빔의 생성 조건이 된다. 환언하면, 본 실시 형태에 관련되는 물질의 접합 방법으로 정의되는 「초단광 펄스 레이저 빔」이란, 100 나노초 정도까지의 펄스폭을 가지는 것을 포함한다.

도 1은, 이러한 필라멘트 영역의 생성을 모식적으로 나타낸 이미지도이다. 도 1(a)는, 필라멘트 영역이 생성되어 있지 않은 종래의 접합 방법에서의 레이저 빔의 상황을 나타내는 것이고, 초단광 펄스 레이저 빔(4)은, 레이저 빔이 입사하는 측의 투명 재료로 이루어지는 제1 물질(1)과 이와 반대측의 제2 물질(2)의 접합면 부근에서, 빔 직경이 극소값 부분인 초점(5)을 형성하도록, 집속 렌즈(3)로 집광되 어 있다.

이에 대해, 필라멘테이션이 생긴 상태를 나타내는 도 1(b)에서는, 초단광 펄스 레이저 빔(4)은, 집속 렌즈(3)를 투과한 후, 투명 재료로 이루어지는 제1 물질(1) 내에서의 자기 집속 작용으로 최소 직경 부분을 형성한 후, 플라스마 현상과 균형이 맞음으로써 최소 직경 상황을 일정한 거리 유지하는 필라멘트 영역(6)을 생성한 상태로, 제2 물질(2) 내부에 들어가고, 레이저 빔의 에너지 저감과 더불어 자기 집속 작용이 약해지고 빔 직경이 증대하고, 필라멘트 영역(6)이 소멸한다.

발명자들은, 실제로 실리카 유리를 이용해, 초단광 펄스 레이저 빔을 이용하여 필라멘트 영역을 발생시켜 보았다. 도 2에, 단일의 필라멘트 영역이 발생한 조건과 생성된 필라멘트 영역의 크기의 일람을 나타낸다. 또한, 도 2에서 필라멘트 영역의 길이란, 필라멘트 영역이 생성됨으로써 그 부분의 유리가 용융하고, 초단광 펄스 레이저 빔의 조사 후에 실리카 유리의 굴절률이 변화한 영역으로서 판단 구별할 수 있던 부분의 레이저 빔 광축방향의 거리(깊이)를 나타내고, 필라멘트 영역의 직경이란, 상기 굴절률의 변화가 생긴 영역의 레이저 빔 광축으로 수직인 면에서의 직경을 나타낸다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 개구수(NA)가, 0.05에서 0.55의 넓은 범위에 걸쳐 필라멘트 영역이 발생하는 것을 알 수 있다.

또, 각각의 개구수(NA)에서, 펄스 에너지가 도 2에 나타내는 범위보다도 작아지면, 필라멘트 영역의 생성은 보이지 않고, 반대로 도 2에 나타내는 범위보다 큰 펄스 에너지를 주면, 필라멘트 영역이 평행하고 복수개 생기는 멀티 필라멘트 현상이 발생해, 실리카 유리가 거뭇하게 변색하는 보이드 영역이 생성되었다.

이 보이드 영역에서도 실리카 유리가 용융한 것으로 생각되기 때문에, 2개의 물질의 맞닿는 면에 보이드 영역을 생성시킬 수 있으면, 보이드 영역에 의해 2개의 물질을 접합하는 것도 가능하다. 다만, 멀티 필라멘트 현상이 생기고 보이드 영역이 되는 영역을 충분히 컨트롤하는 것은, 단일 필라멘트를 생성시키는 경우와 비교하면 일정 이상의 곤란을 수반한다. 또, 단일의 필라멘트 영역이 형성된 부분에서의 실리카 유리의 투과율의 저감이 10% 정도인데 대해, 보이드 영역에서의 투과율 저감은 50% 이상이고 크다.

이 때문에, 초단광 펄스 빔의 조사 조건으로서 멀티 필라멘트 현상이 발생하는 조건하에서 물질을 접합할 경우는, 접합하는 2개의 물질 중의 한쪽이 불투명한 경우 등, 2개의 물질이 접합되고 형성된 접합체로서 고려했을 때에, 접합체 전체로 요구되는 투명성 등의 광학적 특성이 그다지 높지 않은 경우에 한한 것이 바람직하다.

한편, 초단광 펄스 레이저 빔으로 도파로(導波路)를 그리는 경우나, 투명한 유리재로 이루어지는 광학 소자끼리를 접합하여, 전체적으로 투명한 광학 소자를 제조할 경우 등은, 멀티 필라멘트 현상이 생기지 않도록 펄스 에너지를 조정하는 것이 바람직하다.

또한, 개구수(NA)를 크게 하고 갔을 경우에도, 멀티 필라멘트 현상이 발생하기 쉬운 것을 알게 되었다. 또, 개구수가 작을수록 긴 필라멘트 영역이 형성되는 것을 알게 되었다. 이는, 레이저 빔을 집속하는 렌즈로서 비교적 저렴한 가격인 것 을 이용할 수 있다는 것을 의미하고, 이 점으로부터도 본 발명의 접합 방법이 실용적인 것임을 알 수 있다.

관측된 단일의 필라멘트 영역은, 길이가 짧은 것으로 10㎛ 정도, 긴 것은 수백㎛에도 미쳤지만, 필라멘트 영역의 직경은, 어느 조건에 의하는 것도 약 1.7㎛이고 안정되어 있었다. 이것은, 상기한 레이저 빔의 자기 집속 작용과 플라스마의 발생에 의한 빔 발산 작용이 균형에 맞게 되고 필라멘트 영역이 형성된다는 원리를 단적으로 뒤받쳐 있는 것으로 생각된다. 이와 같이, 필라멘트 영역에서는, 일정한 빔 직경 상태가 소정 거리에 걸쳐 생성하게 되므로, 초단광 펄스 레이저 빔을 이용하여 물질의 접합을 생각할 때, 종래와 같은 레이저 빔의 초점을 정확하게 2개의 물질의 맞닿는 부분에 형성하는 경우와 비교하여, 그 컨트롤이 각별히 용이하게 되는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 정의에 있어서, 필라멘트 영역의 생성이란, 상기와 같이 초단광 펄스 레이저 빔이 소정의 길이에 걸쳐 최소의 빔 직경을 유지하는 상태가 생긴 것으로 한다. 이에 대해, 종래의 접합 방법에서 이용된 바와 같은, 통상의 초점을 형성할 경우에는, 그 초점 깊이는 최대의 것도 레이저 빔의 광축방향으로 2~3㎛에는 달하지 않는 것으로, 필라멘트 영역이 생성되어 있는지 아닌지는 최소의 빔 직경 상태가, 빔의 광축방향으로 얼마나 길이에 걸쳐 생기고 있는지를 확인하면 용이하게 판별할 수 있다.

또, 이 필라멘트 영역이 생성된지 아닌지는, 빔 조사 후의 유리를 봄으로써도 확인할 수 있다. 필라멘트 영역이 생성된 경우는, 생성된 필라멘트 영역의 깊이 에 상당하는 부분의 유리의 굴절률이 상승하고, 광학 현미경으로 희게(밝게) 보인다. 그리고, 이 흰 영역의 상하단의 경계부는, 매끈하면서도 어느 정도의 급격한 변화가 생기고 있고, 그 상하의 원래 유리 자체의 상태가 남아 있는 투명 영역에 연결되어 있다. 환언하면, 필라멘트 영역이 생성된 깊이에 걸쳐, 층 형상의 변질 부분이 잔존한다. 이에 대해, 종래의 접합 방법처럼 2개의 물질의 맞닿는 면에 초점을 형성시켰을 경우에는, 필라멘트 영역이 형성된 경우와 같은 층 형상의 흰 영역은 생기지 않고, 접합면의 부분만이 희게 변화한다.

이와 같이, 유리가 광학 현미경의 관찰에서 희게 변화하는 것은, 즉, 필라멘트 영역에서 초단광 펄스 레이저 빔에 의해, 본래 투명하기 때문에 흡수가 없는 물질 중에서 단광자 흡수나 전장 이온화에 의해 야기되는 광흡수 현상이 일으키게 되고, 그 부분의 유리가 일단 용융되고, 빔이 소멸함과 더불어 급속히 냉각되고 재응고했기 때문이라고 생각된다. 이 현상을 이용하면, 초단광 펄스 레이저 빔에 의해, 2개의 물질을 접합하는 것이 가능해진다. 그리고, 이 방법에 의하면, 필라멘트 영역이 형성되지 않는 접합 부재의 표면을 파괴하는 일없이 2개의 물질을 접합 가능하고, 또, 초단광 펄스 빔의 펄스폭은, 일반적인 피접합 재료의 열확산에 필요로 하는 시간보다 작기 때문에, 열변형을 되도록 생략한 접합이 가능해진다.

또한, 필라멘트 영역이 초단광 펄스 레이저 빔의 광축방향으로 발생하는 것이기 때문에, 2개의 물질을 접합하는 접합면에서의 피접합 물질의 간격이 필라멘트 영역의 길이보다 작으면, 광축방향으로 시료 자체나 집속 렌즈 등의 광학계를 이동시켜 집광점을 이동시킬 필요도 없다. 또, 인산염 유리 등의 유리에서는, 필라멘트 의 생성에 의해 유리의 굴절률이 감소하고, 광학 현미경으로 검게(어둡게) 보이지만, 겹쳐진 유리의 경계부에서 층 형상의 변질 영역 부분이 형성되고, 굴절률이 상승한 경우와 같은 과정에서 접합을 실시할 수 있다.

다음에, 본 발명의 제1 접합 방법의 실시 형태로서 초단광 펄스 레이저 빔에 의해 생성되는 필라멘트 영역을 이용하고 2개의 물질을 접합하는 물질의 접합 방법의 구체적인 내용을, 도 3 및 도 4를 이용해 설명한다.

여기에서, 도 3(a, b, c)은 접합 영역 형성 과정에서의 이미지를 나타내는 평면도, 또 도 3(d, e, f)은 각각 도 3(a, b, c) 상태를 측면으로부터 본 경우의 이미지도이다.

우선 시료로서 7㎜×20㎜, 두께 0.7㎜의 실리카 유리를 2장 준비하고, 표면을 청정하게 하고 중첩한다. 이 시료의 중앙 부분에 2개의 시료를 접합하기 위한 접합 영역(7)을 형성했다. 접합 영역(7)은, 일변이 약 400㎛의 정방형의 영역이고, 도 3(a)은 아직 접합 작업을 실시하지 않은 상태의 접합 영역(7)을 나타낸다. 이 중에, 접합 영역(7) 형성 후의 평면도인 도 3(c)에 나타낸 바와 같이, 일변이 100㎛의 정방형의 접합부(8)를 세로 방향 가로 방향으로 각각의 간격을 20㎛으로서 9개 형성했다. 구체적으로는, 도 3(b)에 나타낸 바와 같이, 하나 하나의 접합부(8)에 대해, 도중 가로 방향으로 100㎛에 걸쳐 레이저 빔(9)을 주사하고, 그 후 1㎛만, 도중 세로 방향으로 조사 위치를 이동시켜 다시 가로 방향으로 레이저 빔 조사를 실시하는 순서를 반복했다.

이 때의 레이저 빔은, 티탄 사파이어 레이저 시스템에 의해 생성된 것이고, 중심 파장은 800㎚, 펄스폭이 85fs이고, 반복 주파수를 1㎑로 했다. 또, 레이저 빔 집속계의 개구수(NA)는 0.3이고, 에너지는 1.0μJ/pulse로 했다.

초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측의 투명 재료로 이루어지는 제1 물질으로서의 실리카 유리와, 제2 물질(2)인 실리카 유리에는, 양자가 충분히 밀착하도록, 측면으로부터 본 도 3(d)에 나타낸 바와 같이 상측의 양단 부분과 하측의 중앙 부분에 가압력(10)이 걸리도록 하고, 접합 영역(7)에서 약 40㎫의 압력을 가했다. 구체적으로는, 도 4에 나타내는 고정용 지그를 이용했다. 도 4 중, 상측 플레이트(13)와 하측의 고정 플레이트(14)로서 나타낸 한 쌍의 철제 플레이트이고 시료 1, 2를 중첩한 것을 사이에 끼고, 고정 나사(16)로 이를 조이도록 하고 가압력을 조정했다. 하측의 고정 플레이트(14)의 중앙에는 반구 형상의 돌기(15)를 설치하고, 초단광 펄스 레이저 빔이 조사되는 부분에서, 확실히 2개의 시료 간격이 레이저 빔 파장의 4분의 1 정도가 되도록 조정한다.

초단광 펄스 레이저 빔을 조사하는 상태의 측면도인 도 3(e)에 나타내는 바와 같이 상기 조건으로 조사된 초단광 펄스 레이저 빔(4)은, 집속 렌즈(3)를 투과한 후 도 1(b)에 나타낸 것과 같이, 길이가 약 30㎛의 단일의 필라멘트 영역(6)을 생성했다. 또한, 도 3(e) 중의 화살표(11)는, 레이저 빔 주사 방향을 나타낸다.

이와 같이 하고 생성된 필라멘트 영역에서는, 국소적인 실리카 유리의 용융이 생기고, 그 후 재응고함으로써, 2개의 피접합 물질이 레이저 용접되게 된다. 그리고, 이 필라멘트 영역은, 소정의 길이에 걸쳐 광축방향으로 형성되기 때문에, 집광점을 광축방향으로 주사하는 일없이, 2개의 피접합 물질의 맞닿는 면을 중심으로 하고 쌍방의 피접합 물질을 소정의 깊이에 걸쳐 용융시킬 수 있기 때문에, 레이저 접합에 적합한 것을 알 수 있다.

접합된 후의, 투명 재료로 이루어지는 물질(1)과, 다른쪽의 물질(2)인 실리카 유리를 측방으로부터 감시한 모습을 나타낸 것이, 도 3(f)이다. 도 3(f)에 나타낸 바와 같이, 2장의 실리카 유리는, 그 맞닿는 면을 중심으로 하고 레이저 빔이 주사한 부분에만, 상당히 겨우 희게 보이는 개질(변질) 영역(12)이 형성되어 있다. 이번 조건에서는, 이 희게 보이는 개질(변질) 영역의 깊이(레이저 빔 광축 방향의 길이)는, 필라멘트 영역의 길이와 동일한 약 30㎛인 것이 확인할 수 있었다.

다음에, 이와 같이 접합된 2장의 실리카 유리의 접합 강도를 조사해 보았다. 도 5는, 발명자 등이 접합 강도를 측정한 시험기의 개략 이미지도이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 베이스(17) 위에 지주(18)를 세워 자유롭게 회전할 수 있도록 풀리 블록(19)을 설치한다. 그리고, 접합된 2장의 피접착 물질인 실리카 유리의 레이저 빔 입사측의 투명 재료로 이루어지는 물질(1)에 와이어(20)를 접착하고, 이 와이어의 타단에 설치된 접시(21) 위에 하중(22)을 가하고 접합된 시료가 2개로 갈라질 때까지의 하중을 측정했다. 그리고, 이 때 얻어진 하중의 값을 접합 면적으로 나누어 접합 강도를 추측했다.

그 결과, 상기 조건으로 2장의 실리카 유리를 접합했을 경우의 접합 강도는, 약 15㎫이고, 실용상 충분한 강도인 것이 확인할 수 있었다. 또한, 이 접합 강도는, 접합되는 유리끼리의 밀착 정도에 좌우된다. 그리고, 이 유리의 밀착 정도는, 유리의 크기나 유리를 접합할 때에 누르는 힘의 크기에 따라 변화된다. 발명자들이 확인한 바에 의하면, 최적 조건이 얻어진 경우에는, 최대로 유리의 인장 강도 정도, 50㎫ 정도의 접합 강도가 얻어졌다.

이상, 필라멘트 영역을 이용한 본 실시 형태에 관련되는 물질의 접합 방법의 구체적인 설명으로서 실리카 유리끼리를 접합할 경우에 대해 설명해 왔지만, 본 실시 형태에 관련되는 접합 방법으로 접합할 수 있는 부재는, 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 상기한 실리카 유리끼리와 같이, 동종의 투명 재료인 유리끼리의 접합예로서 보로실리카 유리끼리의 접합 등이 생각된다.

또, 동종의 유리끼리의 접합에 한정되지 않고, 실리카 유리와 보로실리카 유리와 같이 이종의 유리끼리를 접합하는 것도 가능하다.

또, 초단광 펄스 레이저 빔이 조사되었을 때에, 초단광 펄스 레이저 빔이 비선형 흡수 현상을 발생시키는 범위에서 투명한 물질로서는, 상기에 예시한 실리카 유리나 보로실리카 유리에 한정되지 않는다. 예를 들면, 논 알칼리 유리(무알칼리 유리) 등의 다른 유리 재료도 투명 재료로 이루어지는 물질로서 제1 물질로서 이용할 수 있다. 또한, 투명성이 높은 아크릴 수지 등의 수지류도, 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측의 투명 재료로 이루어지는 제1 물질로서 이용할 수 있다. 따라서, 예를 들면 아크릴 수지끼리를 접합하는 것도 가능하다.

여기에서, 상기한 바와 같이 본 실시 형태에 관련되는 물질의 접합 방법은, 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측의 제1 물질이 투명 재료로 이루어지는 경우에, 조사되는 초단광 펄스 레이저 빔의 조건을 컨트롤함으로써, 자기 집속 작용을 발생시켜 필라멘트 영역을 형성하는 것이다. 그리고, 필라멘트 영역이 형성됨으로 써 적어도 제1 물질이 일단 용해하고, 그 후 응고됨으로써 2개의 물질을 접합할 수 있다. 따라서, 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측의, 투명 재료로 이루어지는 제1 물질이, 초단광 펄스 레이저 빔이 입사됨으로써, 필라멘트 영역을 형성하는 것이라면, 제1 물질의 접합 대상인 제2 물질이 어떠한 재료의 것이라도, 이들을 접합할 수 있다.

구체적으로는, 투명 재료로 이루어지는 제1 물질로서, 상기 예시한 것 같은 실리카 유리 또는 보로실리카 유리 등의 유리류나 투명성이 높은 수지류, 그 외의 부재를 이용하고, 이 제1 물질과 접합되는 더 하나의 제2 물질로서 제1 물질과 동종의 물질이거나 이종의 물질인지, 또, 그가 투명 재료로 이루어지는 물질인지 아닌지에 상관없이 이들 2개의 물질을 접합할 수 있다.

발명자들이 구체적으로 실험을 실시하여 확인한 바에는, 제1 물질을 실리카 유리로 했을 때에, 더 하나의 제2 물질로서 아크릴 수지 등의 수지 기판, 실리콘 기판, 알루미늄, 구리나 스테인리스 등의 금속판 등을 접합할 수 있었다. 그리고, 상술한 도 5에 나타내는 실리카 유리끼리의 접합력을 조사한 것과 같은 시험기를 이용하여 측정하면, 실리카 유리끼리의 접합의 경우와 같이 14.9~15.0㎫의 접합력을 얻을 수 있었다.

이와 같이, 본 실시 형태에 관련되는 물질의 접합 방법에 의해, 열팽창 계수가 다른 이종의 물질을 접합할 수 있는 것은, 초단광 펄스 레이저 빔에 의해 일으켜지는 비선형 흡수 현상이, 직경으로서 불과 1~2㎛의 상당히 좁은 영역에서 생기고, 또한, 피접합 물질의 용융이 매우 단시간으로 종료하기 때문이라고 생각된다. 즉, 접합 영역 중의 매우 일부만이 용융하고 재응고하기 때문에, 그 좁은 영역에서는 피접합 물질끼리의 열팽창 자체가 절대값으로서 소량밖에 생기지 않고, 게다가, 빔의 이동과 더불어 잇달아 냉각되고 재응고하기 때문에, 피접합 물질끼리의 열팽창 계수의 차이가 거의 영향을 주지 않는 것으로 생각된다.

본 실시 형태에 관련되는 접합 방법은, 통상의 레이저 용접 등에서는 그 열팽창 계수의 차이로부터 접합이 불가능한 유리와 금속의 접합을 할 수 있고, 레이저 용접 방법으로서의 실용상의 가능성이 큰 것으로 기대할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 관련되는 접합 방법의 원리로부터, 열팽창 계수가 크게 다른 이종의 물질끼리를 접합할 경우에는, 초단광 펄스 레이저 빔의 펄스폭과 반복 빈도를 적확하게 조정하는 것이 바람직하다.

또, 상기한 바와 같이, 본 실시 형태에 관련되는 접합 방법에 의해, 유리와 실리콘 기판의 접합이 가능하다는 것이 확인할 수 있었다. 이것은, 본 실시 형태에 관련되는 접합 방법을 이용함으로써, 렌즈 등의 투명한 광학 소자와 확산 공정이나 주입 공정 등에 의해 그 기판 내부에 반도체 영역이 형성되고, 칩마다 절단함으로써 반도체 소자로서 동작 가능한 반도체 기판을 접합함으로써, 접합물로서 광학적 기능을 가지는 반도체 소자를 제조할 수 있는 것을 나타낸다. 즉, 본 실시 형태에 관련되는 접합 방법에 의해, 반도체 디바이스가 형성된 상태의 반도체 웨이퍼와, 그의 반도체 웨이퍼 상에 유리나 수지 등의 투명 부재로 이루어지는 광학 렌즈 소자나 패키지 등을 적층하여 직접 접합하고, 이른바 웨이퍼 레벨 패키징을 실시할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 관련되는 접합 방법에 의해 접합할 수 있는 반도체 기판으로서는, 상기한 실리콘 기판에 한정되지 않고, GaAs 기판이나 GaN 기판 등의 화합물계의 반도체 기판도 포함된다. 그리고, 본 실시 형태에 관련되는 물질의 접합 방법을 이용한 반도체 소자의 제조 방법을 이용함으로써, 칩 단위로 절단된 디바이스로서 제조된 반도체 소자, 또는, 반도체 제조 공정을 거친 내부에 반도체 영역이 형성된 웨이퍼 기판과, 유리나 투명한 수지 등으로 이루어지는 패키지나 렌즈 등의 투명 부재를 직접 접합할 수 있다. 그 결과, 특히, CCD나 레이저, 발광 다이오드(LED) 등의, 광학적 기능을 가지는 반도체 소자의 제조 방법으로서 넓은 범위의 제품을 커버하는 실용적 제조 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 관련되는 물질의 접합 방법으로 접합할 수 있는 금속판으로서는, 스테인리스, 철, 강, 알루미늄, 또는, 구리 등의 주로 단체의 금속으로 이루어지는 금속판 외에, 이들의 금속의 적어도 어느 하나를 포함하는 합금판도 포함되고 이들의 금속판 혹은 합금판과 실리카 유리 등의 투명 부재가 접합할 수 있는 것이 확인되어 있다.

또, 상기한 바와 같이, 상당히 작은 면적끼리 용융하고 물질의 접합이 행해지므로, 예를 들면 유리와 실리콘의 결정의 방위를 맞춘 상태에서 유지하면서, 본 발명에 의해 양자를 접합하고, 이에 소정의 아닐링 공정을 행함으로써, 실리콘과 유리의 단일 결정을 형성할 수 있는 가능성도 있다. 이러한 결정의 형성 방법이 실현될 경우에는, 에피택셜 성장 이외의 방법으로 결정을 제작할 수 있다는 획기적인 성과를 얻어지는 가능성을 나타낸다.

또한, 상기한 바아 같이, 본 실시 형태에 관련되는 물질의 접합 방법으로서는, 필라멘트 영역을 적절히 생성시킴으로써, 예를 들면 유리끼리를 접합했을 때에 생기는 유리의 투과율의 저감을 10% 정도로 억제할 수 있다. 이로부터, 예를 들면, 도광판과, 광학 렌즈나 프리즘 등의 각각 단체로 보았을 때에 투명 부재로 이루어지는 광학 소자인 어느 부재끼리를, 투과시키는 광의 감쇠를 억제하여 접합하고 접합물로서의 광학 소자를 제조할 수 있다. 따라서, 예를 들면 프리즘과 렌즈의 복합체 등, 형상이나 요구되는 광학 특성상의 제한으로, 단일의 광학 부재로서는 제조하기 어렵고, 또한, 전체적인 광학 특성으로서 높은 투과율이 요구되는 광학 소자 등을 제조하는데 있어서, 본 실시 형태에 관련되는 물질의 접합 방법을 이용함으로써, 큰 성과를 얻는 것이 기대할 수 있다.

<제2 실시 형태>

다음에, 본 발명의 물질의 접합 방법의 제2 실시 형태를 설명한다.

본 발명의 제1 물질의 접합 방법에서는, 상기 제1 실시 형태로서 나타낸 바와 같이 초단광 펄스 레이저 빔의 집속 조건을 조정함으로써, 필라멘트 영역을 생성하는 것이 포인트이지만, 제2 실시 형태에서는, 이 본 발명의 제1 물질의 접합 방법에서, 레이저 빔의 광축방향으로 소정 길이에 걸쳐 형성된다는 필라멘트 영역의 특징을 살리고, 피접합 물질끼리의 접합면인 맞닿는 부분에 대해 레이저 빔을 비스듬하게 입사시킨다는 것이다.

상술한 바와 같이, 종래의 초단광 펄스 레이저 빔의 용접에서는, 피접합 물질끼리의 맞닿는 부분와 레이저 빔의 집속점을 정확히 일치시킬 필요가 있기 때문 에, 레이저 빔의 집속 광학계와 피접합 물질의 거리를 정확하게 유지할 필요가 있다. 이 때문에, 레이저 빔의 초점 위치 어긋남이 분명히 발생하기 쉬워져, 레이저 빔을 접합면에 대해 비스듬하게 입사시키는 것은 상당히 곤란하고, 실용상은 오히려 불가능하다고 해야 하는 것이었다. 그러나, 본 발명의 제1 물질의 접합 방법의 특징인 필러멘트 영역은, 상기와 같이 레이저 빔의 광축방향으로 소정 길이에 걸쳐 생성되는 것임으로, 레이저 빔의 집속 광학계와 피접합물끼리의 맞닿는 면인 접합면과의 거리에 일정한 유도가 생기고, 레이저 빔을 비스듬하게 입사할 수 있다는 실용상의 장점이 생긴다.

초단광 펄스 레이저 빔을, 접합면에 대해 소정 각도 경사지고 입사시키는 방향으로서는, 우선, 경사 방향을 빔의 주사 방향과 같은 방향, 혹은 정반대의 방향으로 하는 것을 생각된다.

도 6(a)은, 투명 재료로 이루어지는 제1 물질(1)과 제2 물질(2)을 접합하는 데 있어서 초단광 펄스 레이저 빔(4)을 빔 주사 방향(11)과는 정반대의 방향, 즉, 레이저 빔의 진행 방향 후방측을 경사 방향(23)으로서 주사하는 상태를 나타내는 이미지도이다. 이와 같이 함으로써 빔의 조사계가 조사점의 바로 위에 오지 않게 되므로 조사점의 위치나 상황을 그 바로 위로부터 확실히 감시할 수 있다. 또, 특히, 유리와 금속을 접합할 경우와 같이, 투명 재료로 이루어지는 제1 물질이 아닌 측의, 제2 물질(2)이 레이저 빔을 반사하는 물질인 경우에는, 접합면에서 반사한 빔이 조사시의 빔 패스를 반대로 더듬어, 집광 렌즈나 레이저 발생 장치 등에 악영향을 주는 것을 방지할 수 있다.

또, 초단광 펄스 레이저 빔을 경사시키는 다른 방향으로서 초단광 펄스 레이저 빔을 빔의 주사 방향으로 거의 수직 방향으로 경사시켜 빔 조사시키는 것이 생각된다.

도 6(b)은, 이 상태를 나타내고, 여기에서는, 빔 주사 방향(11)에 대해 수직 방향인 지면의 안쪽으로부터 앞쪽을 향하는 방향을 경사 방향(23)으로서 빔을 주사하는 상태의 이미지를 나타낸다. 이와 같이 함으로써, 예를 들어, 피접합물의 형상이 복잡하게 되어 있고, 초단광 펄스 레이저 빔을 입사시키는 측에 배치되는 물질인 투명재료로 이루어지는 제1 물질의 접합면의 수직 위쪽의 두께가 장소에 의해 달라지는 것이거나 접합면의 수직 위쪽으로 레이저 빔을 차단하거나 산란시키는 것이 형성되어 있을 경우에는, 이를 피하고 접합할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 관련되는 물질의 접합 방법은, 초단광 펄스 레이저 빔의 입사 방향만이 상기한 제1 실시 형태에 관련되는 물질의 접합 방법과 다른 것이다. 이 때문에, 본 실시 형태에 관련되는 물질의 접합 방법에 의해서도, 상기 제1 실시 형태와 같이 제1 실시 형태에서 설명한 각종 부재를 접합할 수 있다. 또, 제2 실시 형태에 관련되는 물질의 접합 방법도, 패키징된 반도체 소자의 제조 방법이나, 접합된 광학 부재의 제조 방법으로서 제1 실시 형태와 같이 이용할 수 있는 것은 서술할 필요도 없다.

<제3 실시 형태>

본 실시 형태에서는, 초단광 펄스 레이저 빔에 의한 비선형 흡수 현상을 발생시킴으로써, 유리 등의 투명 부재로 이루어지는 물질과, 금속 등의 초단광 펄스 레이저 빔을 반사하는 물질을 접합하는 것에 대하여 설명한다.

상기 본 발명의 물질의 접합 방법에 관련되는 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태는, 초단광 펄스 레이저 빔에 의해 필라멘트 영역을 생성함으로써, 각종의 물질을 접합할 수 있는 것을 설명해 왔다. 그리고, 필라멘트 영역이, 레이저 빔의 광축방향으로 소정의 길이에 걸쳐 생성되는 것이므로, 종래의 초단광 펄스 레이저 빔 용접 때의 과제였던, 피접합 물질의 맞닿는 면에서 레이저 빔의 초점이 올바르게 형성되어 있는지 아닌지를 계속 감시하는 것의 곤란성을 해결한 실용적으로 뛰어난 접합 방법인 것을 서술해 왔다.

한편, 상기 제1 실시 형태에서 나타낸 접합 방법에 의하면, 초단광 펄스 레이자 빔이 입사하는 측에 배치되는 제1 물질은, 레이저 빔이 자기 집속 작용을 생기(生起)하기 위해 투명 재료로 이루어지는 물질이어야 하지만, 제1 물질과 접합되는 대상인 제2 물질로서는, 금속 등의 레이저 빔을 반사하는 부재를 이용할 수 있고, 또, 접합 영역에서의 레이저 빔의 스포트 직경이 충분히 좁혀져 있다면, 유리와 금속과 같은, 상호의 열팽창 계수의 수치가 크게 다르기 때문에 종래는 레이저 빔에 의한 접합을 불가능이라고 생각된 물질끼리를 접합할 수 있다.

이와 같이, 제2 물질로서 금속 등의 초단광 펄스 레이저 빔을 반사하는 부재를 이용했을 경우에는, 접합면에서의 레이저 빔 상태를 용이하게 감시할 수 있다는 장점이 있고, 그 경우에는 반드시 필라멘트 영역이 생성되어 있지 않아도, 레이저 빔 직경을 용이하게 감시하고, 조정할 수 있게 된다. 환언하면, 제2 물질로서 초단광 펄스 레이저 빔을 반사하는 물질을 이용함으로써, 종래의 접합 방법에서의 과제 를 해결한 실용 충분한 접합 방법을 얻을 수 있다. 여기에서, 레이저 빔의 초점의 감시에 대해서는, 통상 이용되어 있는 CCD 등의 촬상 소자를 이용한 카메라에 의한 방법이나, 초점을 형성함으로써 최대값이 되는 레이저 빔의 반사 휘도를 측정 방법 등이 생각된다.

또한, 본 실시 형태와 같이, 레이저 빔의 입사하는 측과는 다른 측에 배치되고 제2의 물질이 레이저 빔을 반사할 경우에는, 상기 제2 실시 형태에서 설명한 바와 같은, 레이저 빔을 피접합 물질의 접합면에 대해 경사진 방향으로부터 조사하는 방법을 채용하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 레이저 빔을 피접합 물질의 접합면에 대해 경사진 방향으로부터 조사함으로써, 반사된 레이저 빔이 빔 생성계로 귀환하게 되어, 레이저 빔의 조사계 기구에 악영향을 주는 것을 방지할 수 있기 때문이다.

또, 레이저 빔을 접합면에 대해 경사시키지 않고 조사할 경우나, 도 6(a)에 나타낸, 레이저 빔의 경사 방향이 빔 주사 방향과 정반대의 방향인 경우에는, 제2 물질의 접합면에서의 반사 빔에 의해, 투명 재료로 이루어지는 제1 물질의 접합 부분 근방에, 어느 정도의 다광자 흡수 현상이나 전장 이온화에 의해 야기되는 광흡수 현상이 생기는 것이 기대할 수 있다. 이 때문에, 이러한 경우에는, 제2 물질이 투명 재료로 이루어지는 물질인 경우와 같이, 접합면에서의 레이저 빔의 반사가 생기지 않는 경우와 비교해, 조사하는 레이저 빔의 에너지를 저감하는 것이 더 바람직한 것 같다.

발명자들의 실험에서는, 레이저 빔을 접합면에 대해 수직 방향으로부터 입사 시킬 경우, 즉, 투명 재료로 이루어지는 제1 물질에, 외부로부터 조사된 레이저 빔과 접합면에서 반사된 레이저 빔이 동시에 입사할 경우에는, 제2 물질이 실리카 유리와 같이 빔을 반사하지 않는 것과의 접합의 경우와 비교해, 거의 60~70%의 에너지 량으로의 조사가 적절하다.

이상, 본 발명에 관련되는 물질의 접합 방법 및 이 접합 방법을 이용한 접합물의 제조 방법에 대해, 그 실시 형태에 대해 구체적인 설명을 실시해 왔다. 여기에서, 상기한 본 발명의 접합 방법의 각 실시 형태에서는, 도 3(b, c)에 나타낸 바와 같이, 2개의 물질의 접합 영역의 형성 방법으로서 정방형의 접합부를 소정 간격을 두고 섬 형상으로 점재시킨 것을 예시했지만, 본 발명에 관련되는 물질의 접합 방법에서의 접합 영역의 형성 방법은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 소정 거리의 레이저 빔 주사에 의해 형성되는 선 형상의 접합부를, 소정의 간격을 두고 복수 형성함으로써 접합 영역을 형성해도 좋다.

그리고, 이와 같이 선 형상의 접합부를 복수 형성하는 경우에도, 상기한 섬 형상의 접합부를 복수 설치할 경우와 같이, 어느 순간에 용융하고 있는 영역은 실제로 레이저 빔이 조사되어 있는 상당히 좁은 영역으로 한정되기 때문에, 예를 들면 유리와 금속과 같이 각각의 열팽창 계수가 크게 다른 물질끼리도 접합할 수 있는 효과에 변화는 없다. 다만, 레이저 빔의 주사 속도를 너무 빠르게 하면, 레이저 빔에 의한 용융 상태가 되어 있는 부분의 길이가 길어지고, 나중에 냉각하여 재응고할 때에 열팽창 계수의 차이에 의한 피접합 물질의 분열이 생길 우려가 있다. 이 때문에, 선 형상의 용접부에서 용접 영역을 형성할 경우에는, 상술한 빔 펄스폭과 그 반복 빈도와 더불어, 레이저 빔의 주사 속도에도 충분한 주위를 기울일 필요가 있다.

<제4 실시 형태>

다음에, 본 발명에 관련되는 물질 접합 장치를, 제4 실시 형태로서 설명한다.

도 7은, 본 실시 형태에 관련되는 물질 접합 장치의 주된 구성을 나타내는 개략 구성도이다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태에 관련되는 물질 접합 장치에서는, 제1 실시 형태에서 도 4를 이용하여 설명한 2개의 피접합 부재를 밀착시켜 유지하는 고정용의 지그(본 도면에서는 도시를 생략) 등에 의해 소정의 가압 조건으로 밀착시킨, 투명 재료로 이루어지는 제1 물질(1) 및 제2 물질(2)을, 임의의 방향으로 소정량, 소정의 속도로 이동시키는 것이 가능한 XY스테이지(33) 상에 재치(載置)한다.

티탄 사파이어 증폭 레이저 장치(24)로부터 출사된 초단광 펄스 레이저 빔(4)은, ND필터(25)나 셔터(26), 오목 렌즈(27), 볼록 렌즈(28) 등의 광학계를 투과하고, 아파체(29)에서 외형이 규제된다. 그리고, 밀러(30)에서 반사된 후, 집속 레즈(3)에서 소정의 집속력이 주어져 접합 영역으로 입사한다. 이 초단광 펄스 레이저 빔(4)의 조사 상황은, CCD 등의 촬상 소자를 구비한 감시 카메라(31)에 의해 확인되고, 이 정보에 근거하여 제어 장치(32)가, 셔터(26)나 XY스테이지(33)를 조정하는 것으로 장치 전체를 컨트롤한다.

본 실시 형태에 나타내는 물질 접합 장치에서의, 실제의 초단광 펄스 레이저 빔의 조사 조건이나, 조사 각도, 레이저 빔의 주사 방향, 피접합 물질의 종류 등은, 본 발명의 물질의 접합 방법으로서 실시 형태 1로부터 3에서 설명해 온 것과 같으므로, 여기에서의 상세 설명은 생략한다.

예를 들면, 도 7에서는, 접합되는 제1 물질(1) 및 제2 물질(2)에 대해, 접합면의 수직 상방으로부터 초단광 펄스 레이저 빔(4)이 조사되도록 도시되어 있지만, 본 발명의 제2 실시 형태에서 나타낸, 초단광 펄스 레이저 빔의 조사 방향을 접합면에 대해 경사시킬 경우에는, 피접합 물질(1, 2)을 밀착 유지하는, 도시하지 않는 고정용의 지그에 기울기를 갖게 함으로써, 상대적으로 피접합 물질에 대한 초단광 펄스 레이저 빔의 광축을 경사시키는 것이 바람직하다. 초단광 펄스 레이저의 조사 기구를 조정하여 피접합물에 조사하는 레이저 빔의 패스를 경사시키는 것은, 그 조정이 곤란하기 때문에, 피접합 물질이 작은 경우에는 피접합물을 경사진 쪽이 물질 접합 장치의 구성을 간략화할 수 있기 때문이다.

또, 본 발명의 물질의 접합 방법의 제3 실시 형태로서 나타낸, 제2 물질로서 초단광 펄스 레이저 빔을 반사하는 물체를 접합하는 경우에 이용되는 물질 접합 장치의 경우도, 물질 접합 장치에서의 초단광 펄스 레이저 빔의 조사 기구나, 피접합물을 이동시키는 XY스테이지 등에 대해서는, 상기 제1 및 제2 실시 형태로서 나타낸 접합 방법을 실시할 경우에 이용되는 물질 접합 장치와의 차이는 없다.

다만, 제2 물질로서 초단광 펄스 레이저 빔을 반사하는 부재를 이용하는 경우에 사용되는 물질 접합 장치로서는, 초단광 펄스 레이저 빔의 조사 조건을, 필라 멘트 영역이 형성되는 조건에 제어하지 않아도 된다는 점이 다르다.

이상의 설명으로부터 분명한 바와 같이, 본 발명의 접합 방법, 접합 장치, 및 접합물과 그 제조 방법은, 동종 또는 이종의 유리 등의 투명 재료로 이루어지는 부재끼리나, 투명재료로 이루어지는 부재와 이종의 수지 기판, 실리콘 기판, 금속판, 반도체 기판 등을 접합 할 수 있어 광학 분야를 중심으로 폭넓은 분야에서의 응용 용도를 기대할 수 있다.

Claims

초단광 펄스 레이저 빔에 의해 비선형 흡수 현상을 발생시켜 2개의 물질을 접합하는 방법으로서,

상기 2개의 물질 중, 상기 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측에 위치하는 제1 물질이 투명 재료로 이루어지고,

상기 제1 물질 내에서의 상기 초단광 펄스 레이저 빔의 자기 집속 효과에 의해 발생하는 필라멘트 영역을, 상기 2개의 물질의 접합면에 생성시켜 상기 2개의 물질을 접합하는 것을 특징으로 하는 물질의 접합 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 제1 물질이 유리 또는 투명한 수지인, 물질의 접합 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,

상기 2개의 물질 중, 상기 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측과는 다른측에 위치하는 제2 물질이, 상기 제1 물질과 동종의 투명 재료로 이루어지는, 물질의 접합 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,

상기 2개의 물질 중, 상기 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측과는 다른측 에 위치하는 제2 물질이, 상기 제1 물질과 이종의 물질인, 물질의 접합 방법.
청구항 4에 있어서,

상기 제2 물질이, 유리, 금속, 실리콘, 금속 혹은 실리콘의 화합물, 반도체 혹은 반도체 화합물, 또는, 수지 중 어느 하나인, 물질의 접합 방법.
청구항 5에 있어서,

상기 금속이 스테인리스, 철, 강, 알루미늄, 또는, 구리 중 어느 하나, 또는 이들 중 적어도 하나의 합금인, 물질의 접합 방법.
청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,

상기 초단광 펄스 레이저 빔이, 상기 2개의 물질의 접합면에 대해 소정 각도 경사진 상태에서 입사하는, 물질의 접합 방법.
청구항 7에 있어서,

상기 초단광 펄스 레이저 빔의 경사 방향이, 그 주사 방향과 같거나 혹은 정반대의 방향인, 물질의 접합 방법.
청구항 7에 있어서,

상기 초단광 펄스 레이저 빔의 경사 방향이, 그 주사 방향과 거의 직교하는 방향인, 물질의 접합 방법.
청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,

상기 2개의 물질이, 소정 간격을 두고 형성된 복수의 섬 형상 접합부에 의해 접합되는, 물질의 접합 방법.
청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,

상기 2개의 물질이, 소정 간격을 두고 형성된 소정 길이를 가지는 복수의 선형 접합부에 의해 접합되는, 물질의 접합 방법.
초단광 펄스 레이저 빔에 의해 비선형 흡수 현상을 발생시켜 2개의 물질을 접합하는 방법으로서,

상기 2개의 물질 중, 상기 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측에 위치하는 제1 물질이 투명 재료로 이루어지고,

상기 2개의 물질 중, 상기 초단광 펄스 레이저 빔이 입사하는 측과는 다른측에 위치하는 제2 물질이 상기 초단광 펄스 레이저 빔을 반사하는 물질인 것을 특징으로 하는 물질의 접합 방법.
청구항 7에 있어서,

상기 제2 물질이 금속 또는 그 화합물인, 물질의 접합 방법.
청구항 12 또는 13에 있어서,

상기 초단광 펄스 레이저 빔이, 상기 2개의 물질의 접합면에 대해 소정 각도 경사진 상태에서 입사하는, 물질의 접합 방법.
초단광 펄스 레이저 빔을 조사하는 조사 수단과,

피접합물인 2개의 물질 중, 투명 재료로 이루어지는 제1 물질을 상기 초단광펄스 레이저 빔의 입사측으로, 제2 물질을 그 반대측으로 하고, 상기 2개의 물질을 압착 상태에서 유지하는 유지 수단과,

상기 유지 수단을 탑재하고, 상기 2개의 물질의 상기 초단광 펄스 레이저 빔에 대한 상대적인 위치를 변경시키는 이동 수단을 구비하고,

상기 조사 수단은, 상기 초단광 펄스 레이저 빔을, 상기 2개의 물질의 접합면을 포함하는 부분에 필라멘트 영역을 생성하도록 하는 조사 조건에서 조사하는 것임을 특징으로 하는 물질 접합 장치.
초단광 펄스 레이저 빔을 조사하는 조사 수단과,

피접합물인 2개의 물질 중, 투명 재료로 이루어지는 제1 물질을 상기 초단광 펄스 레이저 빔의 입사측으로, 상기 초단광 펄스 빔을 반사하는 제2 물질은 그 반대측으로 하고, 상기 2개의 물질을 압착 상태에서 유지하는 유지 수단과,

상기 유지 수단을 탑재하고, 상기 2개의 물질의 상기 초단광 펄스 레이저 빔 에 대한 상대적인 위치를 변경시키는 이동 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 물질 접합 장치.
청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 기재된 물질의 접합 방법을 이용하여, 2개의 물질을 접합하여 제조된 접합체.
청구항 17에 있어서,

상기 2개의 물질이, 기판 내에 반도체 영역이 형성된 반도체 기판과, 투명한 광학 소자인, 접합체.
청구항 17에 있어서,

상기 2개의 물질이 모두 투명한 광학 소자인, 접합체.
청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 기재된 물질의 접합 방법을 이용하여, 2개의 물질을 접합한 접합체를 제조하는 것을 특징으로 하는 접합체의 제조 방법.
청구항 20에 있어서,

상기 2개의 물질이, 기판 내에 반도체 영역이 형성된 반도체 기판과, 투명한 광학 소자인, 접합체의 제조 방법.
청구항 20에 있어서,

상기 2개의 물질이 모두 투명한 광학 소자인, 접합체의 제조 방법.