接合方法および接合体の製造方法
【課題】 超短光パルスレーザービームにより非接合物質内で生じるフィラメント領域を用いて２つの部材を接合する方法において、環境温度や径時変化によってクラックや接合外れが生じることのない、安定した接合状態を維持できる接合方法、および、これを用いた接合体の製造方法を得ること。
【解決手段】 少なくとも一方が透明の部材である２つの部材１、２を積層して保持し、前記透明な部材１の側から超短光パルスレーザービーム４を入射して、前記超短光パルスレーザービーム４の自己集束効果によってフィラメント領域６を生成させ、前記フィラメント領域６を前記積層した２つの部材１、２の積層面７に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービーム４をその軌跡が互いに重なり合わないように走査して、前記２つの部材１，２を接合する。
【解決手段】 少なくとも一方が透明の部材である２つの部材１、２を積層して保持し、前記透明な部材１の側から超短光パルスレーザービーム４を入射して、前記超短光パルスレーザービーム４の自己集束効果によってフィラメント領域６を生成させ、前記フィラメント領域６を前記積層した２つの部材１、２の積層面７に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービーム４をその軌跡が互いに重なり合わないように走査して、前記２つの部材１，２を接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超短光パルスレーザービームの自己集束効果により生じるフィラメント領域を用いて、ガラスなどの透明部材とその他の部材とを接合する接合方法、および、接合体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フェムト（１×１０-15）秒からピコ秒（１×１０-12）オーダーの超短光パルスレーザービームにより、非線形吸収現象を生じさせて２つの物質を接合する方法として、発明者らは、レーザービーム入射側に位置する透明な物質内で、超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、このフィラメント領域を接合面に位置させ２つの物質の接合を行う方法を開発した（特許文献１参照）。
【０００３】
この方法は、ビーム径が最小となった状態で所定の距離を進むというフィラメント領域の特性を用いることで、従来の超短光パルスレーザービームを用いる接合方法が有していたような、レーザービームの焦点を接合面に正確に一致させなくてはならないという課題を解決し、ガラスやアクリル樹脂などの透明部材同士、または、透明部材であるガラスと金属など他種類の部材とを、効率よく接合することができる実用性に富んだ方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２００８／０３５７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の接合方法は、超短光パルスレーザービームを透明部材に入射させることで生じたフィラメント領域を、積層された被接合部材の積層面に位置させて積層面内を走査することにより、２つの被接合部材を確実に、かつ、特に透明部材の透光性を著しく低減させることなく接合できる方法である。
【０００６】
しかし、いままでに、上記の接合方法によって接合された接合体内に残留する応力についての検討はなされておらず、２つの物質が所定の接合強度で接合されていることを確認するに留まっていた。このため、環境温度の変化や接合後の時間経過を原因として、接合された部材の接合部分にクラックが生じたり、最悪の場合には接合が外れてしまったりするおそれがあった。
【０００７】
そこで本発明は、上記した従来の課題を解決して、超短光パルスレーザービームにより非接合物質内で生じるフィラメント領域を用いて２つの部材を接合する方法において、環境温度や径時変化によってクラックや接合外れが生じることのない、安定した接合状態を維持できる接合方法、および、これを用いた接合体の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第１の接合方法は、少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームをその軌跡が互いに重なり合わないように走査して、前記２つの部材を接合することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第２の接合方法は、少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームを走査して、前記積層した部材を接合する接合方法であって、前記透明の部材として、ヤング率が８０ｋＮ／ｍｍ2以下の部材を用いることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明の第３の接合方法は、少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームを走査して、前記積層した部材を接合する接合方法であって、前記透明の部材として、ヤング率と常温における熱膨張係数の積が５８０×１０-6ｋＮ／Ｋｍｍ2以下の部材を用いることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の接合体の製造方法は、上記本発明の接合方法のいずれかを用いて、部品の接合を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の接合方法によれば、超短光パルスレーザービームのフィラメント領域を用いて接合された部材に残留する応力を小さくすることができ、環境温度の変化や径時変化に強い接合体を得ることができる。
【００１３】
また、本発明の接合体の製造方法によれば、上記本発明の接合方法を用いることで、環境温度が変化したり接合から時間が経過した場合でも、接合された部品にクラックや接合外れが生じたりすることなく、信頼性の高い接合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】フィラメント領域の生成状態を示すイメージ図である。
【図２】本発明の接合方法に用いられる接合装置の構成の一例を示す概略図である。
【図３】超短光パルスレーザービーム照射後の、ガラス部材に蓄積された内部応力を測定するための試料の作成方法を示すイメージ図である。
【図４】熱サイクル試験におけるクラックの発生状況を示す図である。
【図５】接合強度試験器のイメージ図である。
【図６】ガラス部材の接合強度測定結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の第１のガラス部材の接合方法は、少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームをその軌跡が互いに重なり合わないように走査して、前記２つの部材を接合する。
【００１６】
このような本発明の第１の接合方法は、積層された２つの部材を接合するための超短光パルスレーザービームの軌跡が、互いに重なり合わないように走査されるため、超短光パルスビームのフィラメント領域によって、部材内部でプラズマが形成される部分が走査方向に垂直な方向で連続することがない。このため、被接合部材の組成が変質する領域が間隔を開けて形成されて、部材の内部応力の蓄積が緩和され、接合後の部材に残留する内部応力を低減することができる。
【００１７】
また、本発明の第１の接合方法においては、前記超短光パルスレーザービームを、生成させたフィラメント領域におけるビーム径と等しい間隔を開けて走査することが、好ましい。このようにすることで、１回の超短光パルスレーザービームの走査によって被接合部材内部でプラズマ形成が生じる領域を、前後の走査によってプラズマ形成が生じる領域から確実に分離することができ、接合後の部材に蓄積される応力を低減することができる。
【００１８】
また、本発明の第１の接合方法において、前記超短光パルスレーザービームのフィラメント領域におけるビーム径をｒ、前記超短光パルスレーザービームの走査間隔をｄとしたとき、ｄ／ｒの値が２以上４以下とすることが好ましい。このようにすることで、接合体における部材同士の接合力を十分に保ったまま、接合後の部材に蓄積される応力を確実に低減することができる。
【００１９】
また、本発明の第２の接合方法は、少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームを走査して、前記積層した部材を接合する接合方法であって、前記透明の部材として、ヤング率が８０ｋＮ／ｍｍ2以下の部材を用いる。
【００２０】
さらに、本発明の第３の接合方法は、少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームを走査して、前記積層した部材を接合する接合方法であって、前記透明の部材として、ヤング率と常温時における熱膨張係数の積が５８０×１０-6ｋＮ／Ｋｍｍ2以下の部材を用いる。
【００２１】
このようにすることで、超短光パルスレーザービームを走査して接合領域を塗りつぶすように加工領域を形成した場合でも、接合された部材に蓄積される応力を低減することができ、環境温度の変化や径時変化によって、クラックや接合外れが生じにくい接合体を得ることができる。
【００２２】
また、上記本発明の接合方法において、前記透明の部材をガラスとすることができる。
【００２３】
また、本発明の接合体の製造方法は、上記本発明の接合方法のいずれかを用いて、部品の接合を行う。
【００２４】
このようにすることで、接合体に蓄積される応力が低減されるという上記本発明の接合方法の特長を活かし、環境温度が変化したり、接合から時間が経過した場合でも、接合された部品にクラックや接合外れが生じたりすることのない、信頼性の高い接合体を得ることができる。
【００２５】
以下、本発明の接合方法の実施形態として、ガラス部材同士を接合する場合について図面を参照しながら説明する。
【００２６】
まず最初に、具体的な実施形態の説明をする前に、本発明の接合方法における最も重要なポイントである、フィラメント領域とその生成の原理について説明する。
【００２７】
パルス幅が、フェムト秒からピコ秒オーダーの超短光パルスレーザービームがガラスなどの透明物質に入射した際には、レーザービームが基本的にガウス型の空間強度分布を持っているために、非線形媒質中において光の強度が強い中心部分の屈折率が他の部分に比べて高くなって媒質自体が正のレンズとして働く。このため、入射光が一点に集中するようになるという自己集束作用が生じ、超短光パルスレーザービームは、透明物質中を有限距離伝搬した後にビーム径が極小になると考えられる。
【００２８】
しかしながら、実際には、媒質の光イオン化が生じて物質内で電子とイオンとが自由に移動する状況となるプラズマ形成が生じ、媒質の屈折率が低減する。このような３次の非線形光学効果とプラズマ形成による屈折率の減少とが釣り合うと、超短光パルスレーザービームは、一定のビーム径のまま所定距離を伝搬する。この現象をフィラメンテーションと呼び、フィラメンテーションが起きている領域をフィラメント領域と呼ぶ。そして、このフィラメント領域では、プラズマ密度が一定に保たれて、破壊的な損傷が生じにくい状況となっていると考えられる。
【００２９】
なお、発明者らが確認したところによると、パルスレーザービームのピークパワーが大きければ、パルス幅が１００ナノ（１×１０-9）秒ぐらいまではフィラメント領域が形成されることが分かった。本発明のガラス部材の接合方法では、フィラメント領域を生成させてこれを利用してガラス部材同士を接合するものであるから、フィラメント領域の生成が接合における超短光パルスレーザービームの生成条件となる。言い換えると、本実施形態にかかる物質の接合方法として定義される「超短光パルスレーザービーム」とは、１００ナノ秒程度までのパルス幅を有するものを包含する。
【００３０】
以上を踏まえ、本発明の定義においてフィラメント領域の生成とは、上記のように超短光パルスレーザービームが所定の長さに渡って最小のビーム径を保つ状態が生じたことを言う。また、このフィラメント領域が生成されたか否かは、ビーム照射後の透明部材を見ることによって確認することができる。フィラメント領域が生成された場合は、生成されたフィラメント領域の深さに相当する部分の屈折率が上昇して、光学顕微鏡で白く（明るく）見える。そして、この白い領域の上下端の境界部は、なめらかではあるもののある程度の急激な変化が生じていて、その上下の元々の透明部材自体の状態が残っている透明領域に繋がっている。言い換えれば、フィラメント領域が生成された深さに渡って、層状の変質部分が残存する。
【００３１】
図１は、超短光パルスレーザービームでフィラメント領域を生成し、積層されたガラス部材を接合する状況を模式的に表したイメージ図である。
【００３２】
図１に示すように、超短光パルスレーザービーム４は、集束レンズ３を透過した後、超短光パルスレーザービーム４の入射側に位置する第１のガラス部材１に入射して自己集束作用で最小径部分を形成した後、プラズマ現象と釣り合うことで最小径状況を一定の距離維持するフィラメント領域６を生成する。そして、このフィラメント領域６を第１のガラス部材１ともう一方の第２のガラス部材２との積層面７に位置させることで、２つのガラス部材１，２を接合する。第２のガラス部材２の内部に入った超短光パルスレーザービーム４は、レーザービームのエネルギー低減とともに自己集束作用が弱くなってビーム径が増大し、フィラメント領域６が消滅する。
【００３３】
図２は、本発明の部材の接合方法に用いることができる、接合装置の主たる構成を示す概略構成図である。
【００３４】
図２に示すように、本発明の接合方法に用いることができる接合装置は、図示しない固定用ジグによって所定の加圧条件で密着させた、第１のガラス部材１と第２のガラス部材２を、任意の方向に所定量、所定の速度で移動させることが可能なＸＹＺステージ２０上に載置している。
【００３５】
チタンサファイヤ増幅レーザー装置１１から出射された超短光パルスレーザービーム４は、ＮＤフィルター１２やシャッター１３、凹レンズ１４，凸レンズ１５等の光学系を透過し、アパーチャ１６で外形が規制される。そして、ミラー１７で反射された後、集束レンズ３で所定の集束力を与えられて接合領域に入射する。この超短光パルスレーザービーム４の照射状況は、ＣＣＤ等の撮像素子を備えた監視カメラ１８により確認され、この情報に基づいてパソコンなどで構成される制御装置１９が、シャッター１３やＸＹＺステージ２０を調整することで装置全体をコントロールしている。
【００３６】
レーザービームの照射条件や、集束レンズの諸元は、接合される部材の種類や厚さ、大きさなどにより適宜選択されるものである。一例としての超短光パルスレーザービームでは、中心波長が８００ｎｍ、パルス幅が８５ｆｓ、繰り返し周波数を１ｋＨｚ、レーザービームの照射エネルギーは、１〜１０μＪ／パルスなどとすることができる。また、対物レンズ３は、例えば倍率が１０倍で開口数（ＮＡ）が０．３のものを用いることができる。
【００３７】
なお、図２に示す接合装置例では、レーザービームの生成装置として、チタンサファイヤ増幅レーザー装置１１を用いたが、レーザービーム生成装置はこれに限られるものではなく、ガラス物質内部で自己集束作用によりフィラメント領域を生成することができるものであれば、その種類に制限はない。
【００３８】
また、図２では、接合される第１のガラス部材１と第２のガラス部材２に対して、接合面の垂直上方から超短光パルスレーザービーム４が照射されているように図示されているが、超短光パルスレーザービーム４の照射方向を接合面に対して傾斜させることもできる。具体的には、超短光パルスレーザービーム４を照射するレーザービーム照射系自体を傾ける場合の他、被接合物質１および２を密着保持している図示しない固定用のジグに傾きを持たせることで、相対的に被接合物質に対する超短光パルスレーザービームの光軸を傾斜させることもできる。
【００３９】
このようにすることで、超短光パルスレーザービーム４の照射系が照射点の真上に来なくなるので、照射点の位置や状況をその真上から確実に監視することができる。また、特に、ガラスと金属とを接合する場合のように、超短光パルスレーザービーム４が入射する側に位置する透明部材とは異なる側の部材が、レーザービームを反射する金属物質である場合には、接合面で反射したビームが、照射時のビームパスを逆にたどって、集光レンズやレーザー発生装置などに悪影響を与えることを防止することができる。
【００４０】
また、超短光パルスレーザービームをビームの走査方向にほぼ垂直の方向に傾斜させてビーム照射させることもでき、この場合には、被接合物の形状が複雑になっていて、超短光パルスレーザービームを入射させる側に配置される透明材料からなる物質の、接合面の垂直上方の厚みが場所によって異なるようなものであったり、接合面の垂直上方にレーザービームを遮蔽したり、散乱させてしまうようなものが形成されているような場合には、これを避けて２つの物質を接合することができる。
【００４１】
ＸＹＺステージ２０は、接合部材を積層したまま保持固定する図２では図示しないジグを載置することができ、被接合物質に容易に振動等が伝わらないステージが、ピエゾ素子やステッピングモーターなどによって移動できるものであれば、その具体的な構成に制限はない。
【００４２】
ＸＹＺステージ２０は、その上に積層された被接合部材を保持固定するジグが載置された後に、２つの物質の接合面に超短光パルスレーザービーム４のフィラメント領域６が位置するように、まずＺ方向の位置調整が行われる。その後、一定の方向、例えば図２中左右方向であるＸ方向に所定の移動量移動して、超短光パルスレーザービーム４が接合物質１、２の積層面を走査する。この時の走査速度、すなわち、ＸＹＺステージ２０のＸ方向の移動速度は、超短光パルスレーザービーム４の繰り返し周期との関係で、ビームスポットがどの程度の割合で重複して照射されることが好ましいかの観点から適宜定められる。例えば超短光パルスレーザービーム４の繰り返し周波数が１ｋＨｚで、フィラメント領域６のビーム径が１μｍである場合には、０．１ｍｍ／秒の移動速度で、スポット径の１／１０ずつずれた状態で、逆の言い方をすれば、ビームスポットが９／１０重複した状態で、ビーム照射されることとなる。
【００４３】
このようにして、Ｘ方向への所定長さに渡ってビーム照射を行うことを、本発明ではビームの走査と称することとする。
【００４４】
所定の長さに渡ってのビーム照射、すなわち、１回の走査が終了すると、ＸＹＺステージ２０は、Ｘ方向に直交するＹ方向に所定量移動する。そして、再びＸ方向に移動して次の走査であるビーム照射が行われる。ここで、このＹ方向への移動量が、超短光パルスレーザービーム４の走査の間隔、別の言い方をすれば、超短光パルスレーザービームパルスビーム４の軌跡の間隔を定めることとなる。
【００４５】
例えば、超短光パルスレーザービーム４の生成されたフィラメント領域の径が１μｍの場合には、Ｙ方向への移動量が１μｍのとき、超短光パルスレーザービーム４の照射軌跡が間隔を開けることなく連続して形成される状態、すなわち、ビーム照射領域の全面に渡って、ビーム照射が行われた状態である。一方、例えば、同じくフィラメント領域の径が１μｍの場合に、Ｙ方向への移動量が２μｍであったとすると、超短光パルスレーザービームの照射軌跡同士の間に１μｍの間隔が生じることとなる。超短光パルスレーザービームパルスビーム４の照射軌跡の幅は、フィラメント領域の径の大きさと実質的に等しいから、この場合には、超短光パルスレーザービーム４の照射軌跡の幅と、隣り合う照射軌跡同士の間隔とが等しくなる。
【００４６】
このように、所定の照射軌跡を描くように順次Ｙ方向へビーム走査位置を移動させながら、例えば一例として、Ｘ方向とＹ方向とがともに１００μｍのビーム照射領域が形成される。そして、実際には、この一つ当たりのビーム照射領域が、所定の間隔を隔てて複数個形成されることで、第１のガラス部材１と、第２のガラス部材２との接合を行うための接合領域が形成される。
【００４７】
例えば、フィラメント領域の径が１μｍ、Ｘ方向の走査線の長さが１００μｍ、Ｙ方向の走査の間隔を２μｍとして５０本のビーム走査を行うことで、１００μｍ×１００μｍの正方形状のビーム照射領域が形成できる。そして、このビーム照射領域を、互いの間隔をそれぞれ１０μｍ隔てて、Ｘ方向に３つ、Ｙ方向に３つ、マトリクス状に形成することで、全体として、一辺が３２０μｍの正方形の接合領域が形成される。
【００４８】
次に、発明者らが行った、超短光パルスレーザービームの照射条件と、ガラス部材に蓄積された応力の大きさとの関係を測定した実験について説明する。
【００４９】
本明細書の背景技術欄において説明したように、発明者らによって、超短光パルスレーザービームの自己集束作用によってフィラメント領域を形成し、このフィラメント領域を２つの部材の接合面に照射することで、ガラスやアクリル板などの透明な部材同士、または、透明部材と金属などの不透明な部材との接合を可能とする接合方法が開発された。この従来の接合方法では、フィラメント領域の軌跡が重複するように超短光パルスレーザービームを走査することで、平面状のビーム照射領域全体を塗りつぶすように加工領域を形成していた。そして、２つの部材が接合されることが確認できていたが、ビーム照射によって接合部材の内部に蓄積される応力についての検証はされていなかった。
【００５０】
まず、本発明の接合方法の透明部材として使用される代表的な部材であるボロシリカガラスに、超短光パルスレーザービームを照射し、ビーム照射領域を偏光顕微鏡で観察してみた。この結果、クロスニコル像では、ビーム照射領域の周辺が明るく観察される一方、オープンニコル像ではビーム照射領域の透過率が大きく変化していないことが確認できた。これは、ビーム照射領域の周辺に応力が蓄積して、異方性が誘起されたことを示していると考えられる。
【００５１】
そこで、ビーム照射条件の違いによる応力の蓄積量の大きさの違いを確認するために、ガラス素材、ビーム照射エネルギー、ビーム照射の走査間隔を異ならせた試料を作成し、熱サイクルテストを行うこととした。
【００５２】
ガラス素材としては、ヤング率や熱膨張係数といった、本発明の物質の接合方法における応力の蓄積に関与すると考えられる特性が異なる素材として、いずれもボロシリカガラスであるＳｃｈｏｔｔ社のＢＫ７（製品名）と、テンパックス（Ｂ３３：製品名）との２種類を用いた。
【００５３】
ＢＫ７は、ヤング率（Ｅ）が８２ｋＮ／ｍｍ2で２０℃〜３００℃の熱膨張係数（α）が８．３×１０-6／Ｋ、テンパックスのヤング率は６４ｋＮ／ｍｍ2で２０℃〜３００℃の熱膨張係数は３．２５×１０-6／Ｋである。なお、測定に用いた試料の大きさは、ＢＫ７が１５ｍｍ×７ｍｍで厚さ３ｍｍ、Ｂ３３が１８ｍｍ×１２ｍｍで厚さ１．７ｍｍであった。
【００５４】
この二つのガラス試料に、超短光パルスレーザービームを照射してフィラメント領域を生成させ、ビーム照射領域を形成した。超短光パルスレーザービームの照射条件は、中心波長８００ｎｍ、パルス幅が８５ｆｓ（〜１００ｆｓ）、繰り返し周波数１ｋＨｚとし、ビーム照射エネルギーは、それぞれの試料に対して２．５μＪ／パルス、５μＪ／パルス、１０μＪ／パルスの三種類とした。なお、レーザービームの生成には、チタンサファイヤレーザーシステムを用い、ビーム照射系の対物レンズは、倍率１０倍、開口数（ＮＡ）０．３のものを用いた。
【００５５】
図３は、ガラス片への超短光パルスレーザービームの照射の状態を示す図である。
【００５６】
図３（ａ）は、一つのビーム照射領域３２を形成している状態の平面図、図３(ｂ)は、その断面図である。
【００５７】
図３（ｂ）に示すように、測定試料であるボロシリカガラス試料３１に、対物レンズ３を介して超短光パルスレーザービーム４を照射する。そして、フィラメント領域６がガラス片の表面から深さ０．２ｍｍの位置を中心として形成されるようにした。この状態で、図３(ａ)に示すように、一辺が１００μｍの正方形状のビーム照射領域３２を形成するようにビームを走査した。ビームの走査方向は、図３(ｂ)に矢印３３で示すように、図３(ａ)、図３(ｂ)における左から右の方向とした。このようにして、ビーム照射領域３２の幅に相当する１００μｍのビーム走査を行った後、図３（ａ）における上下方向に試料３１を移動させて、走査間隔を制御した。今回の測定でのビーム走査の間隔は、１μｍ、２μｍ、４μｍの三種類とした。なお、ビーム照射後のビーム走査軌跡などから、今回の試料作成条件でのフィラメント領域６の径は、約１μｍであったことを確認した。
【００５８】
このようにして、形成された一つのビーム照射領域３２を、ビーム照射後の平面状態を表す図３（ｃ）に示すように、隣り合うビーム照射領域３２同士の間隔を１０μｍとして、縦方向に３つ、横方向に３つの、合わせて９つ形成し、一つの接合領域３４とした。
【００５９】
今回の測定では、上記した３種類のビーム照射エネルギー条件と、３種類のビーム走査間隔との組み合わせに対して、図３(ｃ)に示したように、一つ当たり９つのビーム照射領域３２を有する接合領域３４を、それぞれのボロシリカガラス試料３１に所定間隔を隔てて形成した。すなわち、ＢＫ７とテンパックスそれぞれの試料には、図３(ｃ)に示した９つのビーム照射領域３２が形成された接合領域３４が、所定間隔を隔てて、９つずつ形成されたこととなる。
【００６０】
このように、９×３×３のビーム照射領域３２がそれぞれ形成された２つのボロシリカガラス試料３１を光学顕微鏡で２００倍に拡大して観察した。その結果、ＢＫ７では、走査間隔が１μｍで、照射エネルギーが５μＪ／パルスのものの内の２つ（２／９）に、クラックが発生していた。
【００６１】
図４は、クラックが入っていた走査領域の拡大写真である。図４に示すように、照射領域３２の図中左上の角部から、対角線の延長方向にクラック３５が生じていることが分かる。なお、この図４中の左上角部はビーム照射の終了部分であり、このことから、照射領域３２に順次走査してビーム照射を行っていった課程で試料ガラスに応力が蓄積されて、最終の照射点からこの蓄積された応力がクラックという形で開放されたものと考えることができる。
【００６２】
また、クラックの有無は、光学顕微鏡で２００倍に拡大しての目視による観察で行ったが、ガラスにクラックが入った場合には一定以上の大きさとなることから、クラックの有無を確認する上では、２００倍という倍率での目視観察で十分であると考えられる。
【００６３】
試料ＢＫ７への各照射領域３２に対する観察結果では、上記の通り、走査間隔１μｍで照射エネルギーが５μＪ／パルスで２つのクラックが認められたものの、他の２．５μＪ／パルス、１０μＪ／パルスのものについては、いずれもクラックは見つからなかった。また、走査間隔が２μｍ、４μｍのものについては、いずれの照射エネルギーによる照射領域の周囲にもクラックは発見されなかった。
【００６４】
また、試料テンパックスでは、いずれの走査間隔、いずれの照射エネルギーのものにも、クラックは見つからなかった。
【００６５】
次に、ＢＫ７とテンパックスのボロシリカガラス試料について、熱サイクルテストを行った。熱サイクルテストは、１２５℃で３０分、−５５℃で３０分を１つのサイクルとして、繰り返し回数は１００回とした。
【００６６】
この熱サイクルテストの後、再び、光学顕微鏡で２００倍に拡大して、それぞれの照射領域３２周辺のクラックの有無を確認した。
【００６７】
その結果、試料ＢＫ７への照射領域３２に対する観察結果では、走査間隔１μｍで照射エネルギーが２．５μＪ／パルスのものについて新たに１つ、２．５μＪ／パルスのものについても新たに１つ、１０μＪ／パルスのものについては新たに２つの照射領域３２の周辺でクラックが発見された。また、熱サイクルテスト前にクラックが生じていた、照射エネルギーが５μＪ／パルスの２つの照射領域３２では、新たなクラックが見つかるなどの変化はなかった。また、走査間隔が２μｍ、４μｍのものについては、いずれの照射エネルギーのものにもクラックは発見できなかった。
【００６８】
試料テンパックスについては、熱サイクル試験後においても、いずれの走査間隔、いずれの照射エネルギーにおいても、クラックは発見されなかった。
【００６９】
以上の確認結果から、２つのことが分かる。
【００７０】
まず、ガラス材料の特性の観点からは、同じボロシリカガラスであっても、ヤング率が低く、また、熱膨張係数とヤング率との積の値も小さいテンパックスでは、超短光パルスレーザービームの照射による応力の蓄積は小さく、環境温度の変化や経時的変化が生じても、接合部に割れが生じたり接合剥がれが生じたりするおそれは極めて小さいことが分かる。
【００７１】
すなわち、超短光パルスレーザービームの自己集束作用によって生じるフィラメント領域を用いて、２つの物質を接合する接合方法において、ヤング率が小さい部材を用いること、または、部材に対するビーム照射を行う環境下である常温での熱膨張係数と、ヤング率との積の値が小さい部材を用いることで、ビーム照射時の走査間隔に関係なく実用的に安定した接合物が得られることが分かる。
【００７２】
なお、上記したとおり、今回の実験で用いたＢＫ７のカタログデータ上のヤング率は８２ｋＮ／ｍｍ2、常温、すなわち２０℃〜３００℃の熱膨張係数は８．３×１０-6／Ｋである。そして、ＢＫ７でのヤング率と熱膨張係数との積の値は、６８０．６×１０-6ｋＮ／Ｋｍｍ2となる。一方、テンパックス（Ｂ３３）のカタログデータ上のヤング率は６４ｋＮ／ｍｍ2、常温、すなわち２０℃〜３００℃の熱膨張係数は３．２５×１０-6／Ｋである。そして、テンパックスでのヤング率と熱膨張係数との積の値は、２０８×１０-6ｋＮ／Ｋｍｍ2となる。
【００７３】
実際の製品では、ヤング率と熱膨張係数の値に若干のばらつきがあることを踏まえ、今回の測定結果から、ヤング率が８０ｋＮ／ｍｍ2以下の部材を用いること、または、ヤング率と常温時における熱膨張係数の積が６００×１０-6ｋＮ／Ｋｍｍ2以下の部材を用いることが要件であると考えることができる。
【００７４】
一方、ＢＫ７での結果を考えると、ＢＫ７では走査間隔が１μｍの場合には、ビーム照射領域３２への応力が蓄積して、ビーム照射直後、もしくは、熱サイクル試験後にクラックが確認されたものが見受けられた。一方で、走査間隔が２μｍ、４μｍの場合には、ビーム照射エネルギーにかかわらずクラックが発見されなかった。このように、ビーム走査間隔を広げることでクラックの発生が抑えられたことは、ビームの走査間隔が広がることで、ビーム照射部分で発生した応力が平面的に分散され、ビーム照射領域３２全体の応力の蓄積が小さくなったことが原因であると考えられる。
【００７５】
このことから、ビーム走査の間隔として、隣り合うフィラメント領域の走査軌跡が重ならないようにすること、言い換えれば、走査方向と垂直な方向に隣り合うフィラメント領域の走査軌跡が、所定の間隔を有して形成されることで、応力の平面的分散が生じて照射領域全体としての応力の蓄積が小さい、良好な接合面が得られるものと考えられる。
【００７６】
また、今回のビーム照射実験では、フィラメント領域の直径は約１μｍであることが確認されているため、走査間隔を２μｍとした場合には、フィラメント領域の走査軌跡の幅と、隣り合うフィラメント領域の走査軌跡同士の間隔が、ほぼ同じである状態となる。上記実験の結果、ビーム走査間隔が２μｍの場合には、テンパックスに対して、応力の蓄積が生じやすいＢＫ７においても、照射ビームのエネルギーの値にかかわらず、クラックの発生が認められなかったことから、このように、フィラメント領域の走査軌跡の幅と、隣り合う軌跡同士の間隔が同じ大きさとなる場合には、ビーム照射領域に蓄積された応力が小さい、信頼性の高い接合領域が得られると考えられる。
【００７７】
この知見を踏まえ、次に、ビーム走査間隔を広げた場合の接合力の変化について確認する実験を行った。
【００７８】
実験は、試料として３ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ１ｍｍのテンパックス（Ｂ３３）ガラス片を２枚重ねた状態で、超短光パルスレーザービームを照射してフィラメント領域を生成させて２枚のガラスを接合し、この接合体の一方のガラスに接着したワイヤで引きはがして、どれだけの力が加わったときにガラス剥がれが生じるかを測定した。
【００７９】
超短光パルスレーザービームの照射条件は、チタンサファイヤレーザーシステムを用い、中心波長８００ｎｍ、パルス幅が８５ｆｓ（〜１００ｆｓ）、繰り返し周波数１ｋＨｚとし、ビーム照射エネルギーは、５μＪ／パルスであった。ビーム照射系の対物レンズは、倍率１０倍、開口数（ＮＡ）０．３のものを用いた。
【００８０】
２枚のガラスの接合時には、２枚のガラスがしっかりと密着するようにビーム照射部の周囲をジグで押圧し、干渉縞が観察されない程度、すなわち照射されるレーザービーム波長の１／４程度である２００ｎｍ以下の間隔であるようにした。
【００８１】
このようなビーム照射条件で、走査間隔１μｍ、２μｍ、４μｍでビーム照射を行った。
【００８２】
走査間隔が１μｍの場合と、２μｍの場合は、図３（ｃ）に示したように、１辺が１００μｍの正方形状のビーム照射領域３２を３×３の９ブロック形成して接合領域３４を形成するように、１回の走査でのビーム照射長さを１００μｍとし、走査間隔１μｍでは１００回、走査間隔２μｍでは５０回のビーム照射を行って一つのビーム照射領域３２を形成した。なお、それぞれのビーム照射領域３２同士の間隔は１０μｍとした。この結果、接合領域３４は、一辺が３２０μｍの正方形となる。
【００８３】
ビームの走査間隔が４μｍのものについては、接合領域３４をビーム照射領域３２に細分化することなく、１本のビームの走査長さを３００μｍとして、走査間隔４μｍで７５回の走査を行い、結果として、ビーム照射領域の外形は、間隔１μｍや間隔２μｍのものとほぼ同じの３００μｍ×３００μｍとなるようにした。
【００８４】
これらのビーム照射を行った試料を、それぞれのビーム走査間隔について３つずつ作成し、図５に示す測定器具を用いてガラスの接合力を調べた。
【００８５】
図５は、接合強度を測定した試験器の概略イメージ図である。図５に示すように、ベース４１の上に支柱４２を立て、自由に回転できるようにプーリーブロック４３を設けた。そして、接合された２枚のボロシリカガラス（テンパックス）の、レーザービーム入射側のガラス部材１にワイヤ４４を接着し、このワイヤの他端に設けられた皿４５の上に荷重４６を加えていき、接合したガラス試料が２つに割れるまでの荷重を測定した。そして、このとき得られた荷重の値を接合面積で割って接合強度を見積もった。
【００８６】
このときの測定データを、図６に示す。
【００８７】
図６は、走査間隔１μｍ、２μｍ、４μｍの３種について、それぞれの３つの試料に対し、接合面積を接合領域と同じであると考えて、ビーム照射領域の全体、すなわち、３００μｍ×３００μｍとして計算した結果と、接合面積をフィラメント領域の走査軌跡部分のみであると考え、フィラメント領域の軌跡の幅を１μｍとして走査長さを掛けて計算した結果とを示している。
【００８８】
なお、図６下段のグラフでは、接合面積をビーム照射領域の全体とした場合の標準偏差を黒丸で、接合面積をフィラメント領域の幅であるとした場合の標準偏差を白三角で示している。
【００８９】
図６から明らかなように、ビーム照射領域全体を接合面積として考えた場合の接合力は、走査間隔が１μｍの場合と、走査間隔が２μｍの場合とがいずれも２５ＭＰａ程度でほぼ一定である。これに対し、ビーム走査間隔が４μｍの場合には、走査間隔が広い分全体の接合力が低下し、接合強度は２０ＭＰａ以下となっている。
【００９０】
一方、ビーム照射に伴ってガラスの組成が実際に変化した、フィラメント領域の軌跡部分を接合面積として考えた場合には、ビーム照射の走査間隔が広がるにつれて、接合強度が大きくなる傾向がある。これは、ビームの走査間隔が広がることで、隣り合うフィラメント領域の軌跡部分でのガラス組成の変質の影響を受けにくく、ビーム照射部分でより確実な接合が行われていることに起因すると考えられる。ただし、走査間隔が１μｍから２μｍになった場合には、接合強度が約２５ＭＰａから約５０ＭＰａと倍増しているのに対し、走査間隔が４μｍの場合では、接合強度が約５５ＭＰａであることから、走査間隔を広げることによる、実際にビームが照射された部分における接合強度の向上の効果は、飽和する傾向にあることが分かる。
【００９１】
このような結果から、接合体の内部に蓄積される応力を低減するために、フィラメント領域の径である１μｍの倍の２μｍの走査間隔とした場合でも、接合領域全体から得られる接合強度に変化が無いこと、すなわち、接合部の信頼性の観点からも、また、接合部における接合強度の観点からも、走査間隔ｄとフィラメント領域の径ｒとの関係をｄ／ｒ＝２とすることが、極めて実用的であることが理解できる。
【００９２】
特に、ｄ／ｒの数値を２以上とすることで、少ない走査回数で強固な接合強度が得られることから、接合作業のストロークの観点では実用的に好ましいことが分かる。
【００９３】
以上、本発明の部材の接合について、２つの部材をいずれもボロシリカガラスを用いた場合について具体的に説明してきたが、本発明はこれに限られるものではなく、各種部材を用いることができるものである。
【００９４】
なお、超短光パルスレーザービームによってフィラメント領域を生成するために、ビーム入射側の接合部材は、超短光パルスレーザービームに対して透明である必要がある。このため、ビーム入射側の部材としては、ボロシリカガラス以外にも、例えばシリカガラスやノンアルカリガラス（無アルカリガラス）などの各種ガラス、また、アクリル樹脂などを用いることができる。
【００９５】
一方、ビーム入射側とは反対側の接合部材としては、シリカガラスをはじめとする各種のガラス、アクリル樹脂などのビーム入射側の部材と同じ透明な部材の他、ステンレス、鉄、鋼、アルミニウム、または、銅等の主として単体の金属からなる金属板や、これらの金属の少なくともいずれか一つを含む合金板、シリコン基板など超短光パルスレーザービームに対して透明ではない各種の部材を用いることができる。
【００９６】
また、本発明は、常温下で透明部材の透過率の大幅な低下を生じさせることなく、気密を保った接合を行うことができる。したがって、本発明の接合方法を用いた接合体の製造方法によれば、主として透明なガラス部材を利用する各種の光学部材をはじめとして、さまざまな用途の部材を接合することができる。具体的な用途としては、水晶振動子、有機ＥＬディスプレイや有機電池などの各種有機デバイス、ＣＣＤやＣ−ＭＯＳカラーフィルタなどのイメージセンサ、Ｓｉミラー光学素子や圧力センサ、加速度センサなどの各種ＭＥＭＳデバイス、レーザーダイオードや発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体光学素子などが考えられる。
【００９７】
また、本発明の接合方法によれば、半導体デバイスが形成された状態の半導体ウェハと、その半導体ウェハ上にガラスや樹脂などの透明部材からなる光学レンズ素子やパッケージなどを積層して直接接合して、いわゆるウェハレベルパッケージングを行うことができる。
【００９８】
なお、本発明の接合方法によって接合できる半導体基板としては、上記したシリコン基板に限らず、ＧａＡｓ基板やＧａＮ基板などの化合物系の半導体基板も含まれる。そして、本発明の接合方法を用いた製造方法により得られる接合体として、チップ単位に切断されたデバイスとして製造された光学半導体素子、または、半導体製造工程を経た内部に半導体領域が形成されたウェハ基板と、ガラスや透明な樹脂などからなるパッケージやレンズなどの透明部材とを備えた光学部材など、各種の接合体を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
以上本発明の接合方法、およひ、接合体の製造方法は、同種又は異種のガラスなどの透明部材同士や、透明部材と異種の樹脂基板、シリコン基板、金属板、半導体基板などとを接合することができ、光学分野を中心として幅広い分野での応用用途が期待できる。
【符号の説明】
【０１００】
１ 第１のガラス部材
２ 第２のガラス部材
３ 集束レンズ
４ 超短光パルスレーザービーム
６ フィラメント領域
７ 積層面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超短光パルスレーザービームの自己集束効果により生じるフィラメント領域を用いて、ガラスなどの透明部材とその他の部材とを接合する接合方法、および、接合体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フェムト（１×１０-15）秒からピコ秒（１×１０-12）オーダーの超短光パルスレーザービームにより、非線形吸収現象を生じさせて２つの物質を接合する方法として、発明者らは、レーザービーム入射側に位置する透明な物質内で、超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、このフィラメント領域を接合面に位置させ２つの物質の接合を行う方法を開発した（特許文献１参照）。
【０００３】
この方法は、ビーム径が最小となった状態で所定の距離を進むというフィラメント領域の特性を用いることで、従来の超短光パルスレーザービームを用いる接合方法が有していたような、レーザービームの焦点を接合面に正確に一致させなくてはならないという課題を解決し、ガラスやアクリル樹脂などの透明部材同士、または、透明部材であるガラスと金属など他種類の部材とを、効率よく接合することができる実用性に富んだ方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２００８／０３５７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の接合方法は、超短光パルスレーザービームを透明部材に入射させることで生じたフィラメント領域を、積層された被接合部材の積層面に位置させて積層面内を走査することにより、２つの被接合部材を確実に、かつ、特に透明部材の透光性を著しく低減させることなく接合できる方法である。
【０００６】
しかし、いままでに、上記の接合方法によって接合された接合体内に残留する応力についての検討はなされておらず、２つの物質が所定の接合強度で接合されていることを確認するに留まっていた。このため、環境温度の変化や接合後の時間経過を原因として、接合された部材の接合部分にクラックが生じたり、最悪の場合には接合が外れてしまったりするおそれがあった。
【０００７】
そこで本発明は、上記した従来の課題を解決して、超短光パルスレーザービームにより非接合物質内で生じるフィラメント領域を用いて２つの部材を接合する方法において、環境温度や径時変化によってクラックや接合外れが生じることのない、安定した接合状態を維持できる接合方法、および、これを用いた接合体の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第１の接合方法は、少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームをその軌跡が互いに重なり合わないように走査して、前記２つの部材を接合することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第２の接合方法は、少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームを走査して、前記積層した部材を接合する接合方法であって、前記透明の部材として、ヤング率が８０ｋＮ／ｍｍ2以下の部材を用いることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明の第３の接合方法は、少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームを走査して、前記積層した部材を接合する接合方法であって、前記透明の部材として、ヤング率と常温における熱膨張係数の積が５８０×１０-6ｋＮ／Ｋｍｍ2以下の部材を用いることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の接合体の製造方法は、上記本発明の接合方法のいずれかを用いて、部品の接合を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の接合方法によれば、超短光パルスレーザービームのフィラメント領域を用いて接合された部材に残留する応力を小さくすることができ、環境温度の変化や径時変化に強い接合体を得ることができる。
【００１３】
また、本発明の接合体の製造方法によれば、上記本発明の接合方法を用いることで、環境温度が変化したり接合から時間が経過した場合でも、接合された部品にクラックや接合外れが生じたりすることなく、信頼性の高い接合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】フィラメント領域の生成状態を示すイメージ図である。
【図２】本発明の接合方法に用いられる接合装置の構成の一例を示す概略図である。
【図３】超短光パルスレーザービーム照射後の、ガラス部材に蓄積された内部応力を測定するための試料の作成方法を示すイメージ図である。
【図４】熱サイクル試験におけるクラックの発生状況を示す図である。
【図５】接合強度試験器のイメージ図である。
【図６】ガラス部材の接合強度測定結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の第１のガラス部材の接合方法は、少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームをその軌跡が互いに重なり合わないように走査して、前記２つの部材を接合する。
【００１６】
このような本発明の第１の接合方法は、積層された２つの部材を接合するための超短光パルスレーザービームの軌跡が、互いに重なり合わないように走査されるため、超短光パルスビームのフィラメント領域によって、部材内部でプラズマが形成される部分が走査方向に垂直な方向で連続することがない。このため、被接合部材の組成が変質する領域が間隔を開けて形成されて、部材の内部応力の蓄積が緩和され、接合後の部材に残留する内部応力を低減することができる。
【００１７】
また、本発明の第１の接合方法においては、前記超短光パルスレーザービームを、生成させたフィラメント領域におけるビーム径と等しい間隔を開けて走査することが、好ましい。このようにすることで、１回の超短光パルスレーザービームの走査によって被接合部材内部でプラズマ形成が生じる領域を、前後の走査によってプラズマ形成が生じる領域から確実に分離することができ、接合後の部材に蓄積される応力を低減することができる。
【００１８】
また、本発明の第１の接合方法において、前記超短光パルスレーザービームのフィラメント領域におけるビーム径をｒ、前記超短光パルスレーザービームの走査間隔をｄとしたとき、ｄ／ｒの値が２以上４以下とすることが好ましい。このようにすることで、接合体における部材同士の接合力を十分に保ったまま、接合後の部材に蓄積される応力を確実に低減することができる。
【００１９】
また、本発明の第２の接合方法は、少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームを走査して、前記積層した部材を接合する接合方法であって、前記透明の部材として、ヤング率が８０ｋＮ／ｍｍ2以下の部材を用いる。
【００２０】
さらに、本発明の第３の接合方法は、少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームを走査して、前記積層した部材を接合する接合方法であって、前記透明の部材として、ヤング率と常温時における熱膨張係数の積が５８０×１０-6ｋＮ／Ｋｍｍ2以下の部材を用いる。
【００２１】
このようにすることで、超短光パルスレーザービームを走査して接合領域を塗りつぶすように加工領域を形成した場合でも、接合された部材に蓄積される応力を低減することができ、環境温度の変化や径時変化によって、クラックや接合外れが生じにくい接合体を得ることができる。
【００２２】
また、上記本発明の接合方法において、前記透明の部材をガラスとすることができる。
【００２３】
また、本発明の接合体の製造方法は、上記本発明の接合方法のいずれかを用いて、部品の接合を行う。
【００２４】
このようにすることで、接合体に蓄積される応力が低減されるという上記本発明の接合方法の特長を活かし、環境温度が変化したり、接合から時間が経過した場合でも、接合された部品にクラックや接合外れが生じたりすることのない、信頼性の高い接合体を得ることができる。
【００２５】
以下、本発明の接合方法の実施形態として、ガラス部材同士を接合する場合について図面を参照しながら説明する。
【００２６】
まず最初に、具体的な実施形態の説明をする前に、本発明の接合方法における最も重要なポイントである、フィラメント領域とその生成の原理について説明する。
【００２７】
パルス幅が、フェムト秒からピコ秒オーダーの超短光パルスレーザービームがガラスなどの透明物質に入射した際には、レーザービームが基本的にガウス型の空間強度分布を持っているために、非線形媒質中において光の強度が強い中心部分の屈折率が他の部分に比べて高くなって媒質自体が正のレンズとして働く。このため、入射光が一点に集中するようになるという自己集束作用が生じ、超短光パルスレーザービームは、透明物質中を有限距離伝搬した後にビーム径が極小になると考えられる。
【００２８】
しかしながら、実際には、媒質の光イオン化が生じて物質内で電子とイオンとが自由に移動する状況となるプラズマ形成が生じ、媒質の屈折率が低減する。このような３次の非線形光学効果とプラズマ形成による屈折率の減少とが釣り合うと、超短光パルスレーザービームは、一定のビーム径のまま所定距離を伝搬する。この現象をフィラメンテーションと呼び、フィラメンテーションが起きている領域をフィラメント領域と呼ぶ。そして、このフィラメント領域では、プラズマ密度が一定に保たれて、破壊的な損傷が生じにくい状況となっていると考えられる。
【００２９】
なお、発明者らが確認したところによると、パルスレーザービームのピークパワーが大きければ、パルス幅が１００ナノ（１×１０-9）秒ぐらいまではフィラメント領域が形成されることが分かった。本発明のガラス部材の接合方法では、フィラメント領域を生成させてこれを利用してガラス部材同士を接合するものであるから、フィラメント領域の生成が接合における超短光パルスレーザービームの生成条件となる。言い換えると、本実施形態にかかる物質の接合方法として定義される「超短光パルスレーザービーム」とは、１００ナノ秒程度までのパルス幅を有するものを包含する。
【００３０】
以上を踏まえ、本発明の定義においてフィラメント領域の生成とは、上記のように超短光パルスレーザービームが所定の長さに渡って最小のビーム径を保つ状態が生じたことを言う。また、このフィラメント領域が生成されたか否かは、ビーム照射後の透明部材を見ることによって確認することができる。フィラメント領域が生成された場合は、生成されたフィラメント領域の深さに相当する部分の屈折率が上昇して、光学顕微鏡で白く（明るく）見える。そして、この白い領域の上下端の境界部は、なめらかではあるもののある程度の急激な変化が生じていて、その上下の元々の透明部材自体の状態が残っている透明領域に繋がっている。言い換えれば、フィラメント領域が生成された深さに渡って、層状の変質部分が残存する。
【００３１】
図１は、超短光パルスレーザービームでフィラメント領域を生成し、積層されたガラス部材を接合する状況を模式的に表したイメージ図である。
【００３２】
図１に示すように、超短光パルスレーザービーム４は、集束レンズ３を透過した後、超短光パルスレーザービーム４の入射側に位置する第１のガラス部材１に入射して自己集束作用で最小径部分を形成した後、プラズマ現象と釣り合うことで最小径状況を一定の距離維持するフィラメント領域６を生成する。そして、このフィラメント領域６を第１のガラス部材１ともう一方の第２のガラス部材２との積層面７に位置させることで、２つのガラス部材１，２を接合する。第２のガラス部材２の内部に入った超短光パルスレーザービーム４は、レーザービームのエネルギー低減とともに自己集束作用が弱くなってビーム径が増大し、フィラメント領域６が消滅する。
【００３３】
図２は、本発明の部材の接合方法に用いることができる、接合装置の主たる構成を示す概略構成図である。
【００３４】
図２に示すように、本発明の接合方法に用いることができる接合装置は、図示しない固定用ジグによって所定の加圧条件で密着させた、第１のガラス部材１と第２のガラス部材２を、任意の方向に所定量、所定の速度で移動させることが可能なＸＹＺステージ２０上に載置している。
【００３５】
チタンサファイヤ増幅レーザー装置１１から出射された超短光パルスレーザービーム４は、ＮＤフィルター１２やシャッター１３、凹レンズ１４，凸レンズ１５等の光学系を透過し、アパーチャ１６で外形が規制される。そして、ミラー１７で反射された後、集束レンズ３で所定の集束力を与えられて接合領域に入射する。この超短光パルスレーザービーム４の照射状況は、ＣＣＤ等の撮像素子を備えた監視カメラ１８により確認され、この情報に基づいてパソコンなどで構成される制御装置１９が、シャッター１３やＸＹＺステージ２０を調整することで装置全体をコントロールしている。
【００３６】
レーザービームの照射条件や、集束レンズの諸元は、接合される部材の種類や厚さ、大きさなどにより適宜選択されるものである。一例としての超短光パルスレーザービームでは、中心波長が８００ｎｍ、パルス幅が８５ｆｓ、繰り返し周波数を１ｋＨｚ、レーザービームの照射エネルギーは、１〜１０μＪ／パルスなどとすることができる。また、対物レンズ３は、例えば倍率が１０倍で開口数（ＮＡ）が０．３のものを用いることができる。
【００３７】
なお、図２に示す接合装置例では、レーザービームの生成装置として、チタンサファイヤ増幅レーザー装置１１を用いたが、レーザービーム生成装置はこれに限られるものではなく、ガラス物質内部で自己集束作用によりフィラメント領域を生成することができるものであれば、その種類に制限はない。
【００３８】
また、図２では、接合される第１のガラス部材１と第２のガラス部材２に対して、接合面の垂直上方から超短光パルスレーザービーム４が照射されているように図示されているが、超短光パルスレーザービーム４の照射方向を接合面に対して傾斜させることもできる。具体的には、超短光パルスレーザービーム４を照射するレーザービーム照射系自体を傾ける場合の他、被接合物質１および２を密着保持している図示しない固定用のジグに傾きを持たせることで、相対的に被接合物質に対する超短光パルスレーザービームの光軸を傾斜させることもできる。
【００３９】
このようにすることで、超短光パルスレーザービーム４の照射系が照射点の真上に来なくなるので、照射点の位置や状況をその真上から確実に監視することができる。また、特に、ガラスと金属とを接合する場合のように、超短光パルスレーザービーム４が入射する側に位置する透明部材とは異なる側の部材が、レーザービームを反射する金属物質である場合には、接合面で反射したビームが、照射時のビームパスを逆にたどって、集光レンズやレーザー発生装置などに悪影響を与えることを防止することができる。
【００４０】
また、超短光パルスレーザービームをビームの走査方向にほぼ垂直の方向に傾斜させてビーム照射させることもでき、この場合には、被接合物の形状が複雑になっていて、超短光パルスレーザービームを入射させる側に配置される透明材料からなる物質の、接合面の垂直上方の厚みが場所によって異なるようなものであったり、接合面の垂直上方にレーザービームを遮蔽したり、散乱させてしまうようなものが形成されているような場合には、これを避けて２つの物質を接合することができる。
【００４１】
ＸＹＺステージ２０は、接合部材を積層したまま保持固定する図２では図示しないジグを載置することができ、被接合物質に容易に振動等が伝わらないステージが、ピエゾ素子やステッピングモーターなどによって移動できるものであれば、その具体的な構成に制限はない。
【００４２】
ＸＹＺステージ２０は、その上に積層された被接合部材を保持固定するジグが載置された後に、２つの物質の接合面に超短光パルスレーザービーム４のフィラメント領域６が位置するように、まずＺ方向の位置調整が行われる。その後、一定の方向、例えば図２中左右方向であるＸ方向に所定の移動量移動して、超短光パルスレーザービーム４が接合物質１、２の積層面を走査する。この時の走査速度、すなわち、ＸＹＺステージ２０のＸ方向の移動速度は、超短光パルスレーザービーム４の繰り返し周期との関係で、ビームスポットがどの程度の割合で重複して照射されることが好ましいかの観点から適宜定められる。例えば超短光パルスレーザービーム４の繰り返し周波数が１ｋＨｚで、フィラメント領域６のビーム径が１μｍである場合には、０．１ｍｍ／秒の移動速度で、スポット径の１／１０ずつずれた状態で、逆の言い方をすれば、ビームスポットが９／１０重複した状態で、ビーム照射されることとなる。
【００４３】
このようにして、Ｘ方向への所定長さに渡ってビーム照射を行うことを、本発明ではビームの走査と称することとする。
【００４４】
所定の長さに渡ってのビーム照射、すなわち、１回の走査が終了すると、ＸＹＺステージ２０は、Ｘ方向に直交するＹ方向に所定量移動する。そして、再びＸ方向に移動して次の走査であるビーム照射が行われる。ここで、このＹ方向への移動量が、超短光パルスレーザービーム４の走査の間隔、別の言い方をすれば、超短光パルスレーザービームパルスビーム４の軌跡の間隔を定めることとなる。
【００４５】
例えば、超短光パルスレーザービーム４の生成されたフィラメント領域の径が１μｍの場合には、Ｙ方向への移動量が１μｍのとき、超短光パルスレーザービーム４の照射軌跡が間隔を開けることなく連続して形成される状態、すなわち、ビーム照射領域の全面に渡って、ビーム照射が行われた状態である。一方、例えば、同じくフィラメント領域の径が１μｍの場合に、Ｙ方向への移動量が２μｍであったとすると、超短光パルスレーザービームの照射軌跡同士の間に１μｍの間隔が生じることとなる。超短光パルスレーザービームパルスビーム４の照射軌跡の幅は、フィラメント領域の径の大きさと実質的に等しいから、この場合には、超短光パルスレーザービーム４の照射軌跡の幅と、隣り合う照射軌跡同士の間隔とが等しくなる。
【００４６】
このように、所定の照射軌跡を描くように順次Ｙ方向へビーム走査位置を移動させながら、例えば一例として、Ｘ方向とＹ方向とがともに１００μｍのビーム照射領域が形成される。そして、実際には、この一つ当たりのビーム照射領域が、所定の間隔を隔てて複数個形成されることで、第１のガラス部材１と、第２のガラス部材２との接合を行うための接合領域が形成される。
【００４７】
例えば、フィラメント領域の径が１μｍ、Ｘ方向の走査線の長さが１００μｍ、Ｙ方向の走査の間隔を２μｍとして５０本のビーム走査を行うことで、１００μｍ×１００μｍの正方形状のビーム照射領域が形成できる。そして、このビーム照射領域を、互いの間隔をそれぞれ１０μｍ隔てて、Ｘ方向に３つ、Ｙ方向に３つ、マトリクス状に形成することで、全体として、一辺が３２０μｍの正方形の接合領域が形成される。
【００４８】
次に、発明者らが行った、超短光パルスレーザービームの照射条件と、ガラス部材に蓄積された応力の大きさとの関係を測定した実験について説明する。
【００４９】
本明細書の背景技術欄において説明したように、発明者らによって、超短光パルスレーザービームの自己集束作用によってフィラメント領域を形成し、このフィラメント領域を２つの部材の接合面に照射することで、ガラスやアクリル板などの透明な部材同士、または、透明部材と金属などの不透明な部材との接合を可能とする接合方法が開発された。この従来の接合方法では、フィラメント領域の軌跡が重複するように超短光パルスレーザービームを走査することで、平面状のビーム照射領域全体を塗りつぶすように加工領域を形成していた。そして、２つの部材が接合されることが確認できていたが、ビーム照射によって接合部材の内部に蓄積される応力についての検証はされていなかった。
【００５０】
まず、本発明の接合方法の透明部材として使用される代表的な部材であるボロシリカガラスに、超短光パルスレーザービームを照射し、ビーム照射領域を偏光顕微鏡で観察してみた。この結果、クロスニコル像では、ビーム照射領域の周辺が明るく観察される一方、オープンニコル像ではビーム照射領域の透過率が大きく変化していないことが確認できた。これは、ビーム照射領域の周辺に応力が蓄積して、異方性が誘起されたことを示していると考えられる。
【００５１】
そこで、ビーム照射条件の違いによる応力の蓄積量の大きさの違いを確認するために、ガラス素材、ビーム照射エネルギー、ビーム照射の走査間隔を異ならせた試料を作成し、熱サイクルテストを行うこととした。
【００５２】
ガラス素材としては、ヤング率や熱膨張係数といった、本発明の物質の接合方法における応力の蓄積に関与すると考えられる特性が異なる素材として、いずれもボロシリカガラスであるＳｃｈｏｔｔ社のＢＫ７（製品名）と、テンパックス（Ｂ３３：製品名）との２種類を用いた。
【００５３】
ＢＫ７は、ヤング率（Ｅ）が８２ｋＮ／ｍｍ2で２０℃〜３００℃の熱膨張係数（α）が８．３×１０-6／Ｋ、テンパックスのヤング率は６４ｋＮ／ｍｍ2で２０℃〜３００℃の熱膨張係数は３．２５×１０-6／Ｋである。なお、測定に用いた試料の大きさは、ＢＫ７が１５ｍｍ×７ｍｍで厚さ３ｍｍ、Ｂ３３が１８ｍｍ×１２ｍｍで厚さ１．７ｍｍであった。
【００５４】
この二つのガラス試料に、超短光パルスレーザービームを照射してフィラメント領域を生成させ、ビーム照射領域を形成した。超短光パルスレーザービームの照射条件は、中心波長８００ｎｍ、パルス幅が８５ｆｓ（〜１００ｆｓ）、繰り返し周波数１ｋＨｚとし、ビーム照射エネルギーは、それぞれの試料に対して２．５μＪ／パルス、５μＪ／パルス、１０μＪ／パルスの三種類とした。なお、レーザービームの生成には、チタンサファイヤレーザーシステムを用い、ビーム照射系の対物レンズは、倍率１０倍、開口数（ＮＡ）０．３のものを用いた。
【００５５】
図３は、ガラス片への超短光パルスレーザービームの照射の状態を示す図である。
【００５６】
図３（ａ）は、一つのビーム照射領域３２を形成している状態の平面図、図３(ｂ)は、その断面図である。
【００５７】
図３（ｂ）に示すように、測定試料であるボロシリカガラス試料３１に、対物レンズ３を介して超短光パルスレーザービーム４を照射する。そして、フィラメント領域６がガラス片の表面から深さ０．２ｍｍの位置を中心として形成されるようにした。この状態で、図３(ａ)に示すように、一辺が１００μｍの正方形状のビーム照射領域３２を形成するようにビームを走査した。ビームの走査方向は、図３(ｂ)に矢印３３で示すように、図３(ａ)、図３(ｂ)における左から右の方向とした。このようにして、ビーム照射領域３２の幅に相当する１００μｍのビーム走査を行った後、図３（ａ）における上下方向に試料３１を移動させて、走査間隔を制御した。今回の測定でのビーム走査の間隔は、１μｍ、２μｍ、４μｍの三種類とした。なお、ビーム照射後のビーム走査軌跡などから、今回の試料作成条件でのフィラメント領域６の径は、約１μｍであったことを確認した。
【００５８】
このようにして、形成された一つのビーム照射領域３２を、ビーム照射後の平面状態を表す図３（ｃ）に示すように、隣り合うビーム照射領域３２同士の間隔を１０μｍとして、縦方向に３つ、横方向に３つの、合わせて９つ形成し、一つの接合領域３４とした。
【００５９】
今回の測定では、上記した３種類のビーム照射エネルギー条件と、３種類のビーム走査間隔との組み合わせに対して、図３(ｃ)に示したように、一つ当たり９つのビーム照射領域３２を有する接合領域３４を、それぞれのボロシリカガラス試料３１に所定間隔を隔てて形成した。すなわち、ＢＫ７とテンパックスそれぞれの試料には、図３(ｃ)に示した９つのビーム照射領域３２が形成された接合領域３４が、所定間隔を隔てて、９つずつ形成されたこととなる。
【００６０】
このように、９×３×３のビーム照射領域３２がそれぞれ形成された２つのボロシリカガラス試料３１を光学顕微鏡で２００倍に拡大して観察した。その結果、ＢＫ７では、走査間隔が１μｍで、照射エネルギーが５μＪ／パルスのものの内の２つ（２／９）に、クラックが発生していた。
【００６１】
図４は、クラックが入っていた走査領域の拡大写真である。図４に示すように、照射領域３２の図中左上の角部から、対角線の延長方向にクラック３５が生じていることが分かる。なお、この図４中の左上角部はビーム照射の終了部分であり、このことから、照射領域３２に順次走査してビーム照射を行っていった課程で試料ガラスに応力が蓄積されて、最終の照射点からこの蓄積された応力がクラックという形で開放されたものと考えることができる。
【００６２】
また、クラックの有無は、光学顕微鏡で２００倍に拡大しての目視による観察で行ったが、ガラスにクラックが入った場合には一定以上の大きさとなることから、クラックの有無を確認する上では、２００倍という倍率での目視観察で十分であると考えられる。
【００６３】
試料ＢＫ７への各照射領域３２に対する観察結果では、上記の通り、走査間隔１μｍで照射エネルギーが５μＪ／パルスで２つのクラックが認められたものの、他の２．５μＪ／パルス、１０μＪ／パルスのものについては、いずれもクラックは見つからなかった。また、走査間隔が２μｍ、４μｍのものについては、いずれの照射エネルギーによる照射領域の周囲にもクラックは発見されなかった。
【００６４】
また、試料テンパックスでは、いずれの走査間隔、いずれの照射エネルギーのものにも、クラックは見つからなかった。
【００６５】
次に、ＢＫ７とテンパックスのボロシリカガラス試料について、熱サイクルテストを行った。熱サイクルテストは、１２５℃で３０分、−５５℃で３０分を１つのサイクルとして、繰り返し回数は１００回とした。
【００６６】
この熱サイクルテストの後、再び、光学顕微鏡で２００倍に拡大して、それぞれの照射領域３２周辺のクラックの有無を確認した。
【００６７】
その結果、試料ＢＫ７への照射領域３２に対する観察結果では、走査間隔１μｍで照射エネルギーが２．５μＪ／パルスのものについて新たに１つ、２．５μＪ／パルスのものについても新たに１つ、１０μＪ／パルスのものについては新たに２つの照射領域３２の周辺でクラックが発見された。また、熱サイクルテスト前にクラックが生じていた、照射エネルギーが５μＪ／パルスの２つの照射領域３２では、新たなクラックが見つかるなどの変化はなかった。また、走査間隔が２μｍ、４μｍのものについては、いずれの照射エネルギーのものにもクラックは発見できなかった。
【００６８】
試料テンパックスについては、熱サイクル試験後においても、いずれの走査間隔、いずれの照射エネルギーにおいても、クラックは発見されなかった。
【００６９】
以上の確認結果から、２つのことが分かる。
【００７０】
まず、ガラス材料の特性の観点からは、同じボロシリカガラスであっても、ヤング率が低く、また、熱膨張係数とヤング率との積の値も小さいテンパックスでは、超短光パルスレーザービームの照射による応力の蓄積は小さく、環境温度の変化や経時的変化が生じても、接合部に割れが生じたり接合剥がれが生じたりするおそれは極めて小さいことが分かる。
【００７１】
すなわち、超短光パルスレーザービームの自己集束作用によって生じるフィラメント領域を用いて、２つの物質を接合する接合方法において、ヤング率が小さい部材を用いること、または、部材に対するビーム照射を行う環境下である常温での熱膨張係数と、ヤング率との積の値が小さい部材を用いることで、ビーム照射時の走査間隔に関係なく実用的に安定した接合物が得られることが分かる。
【００７２】
なお、上記したとおり、今回の実験で用いたＢＫ７のカタログデータ上のヤング率は８２ｋＮ／ｍｍ2、常温、すなわち２０℃〜３００℃の熱膨張係数は８．３×１０-6／Ｋである。そして、ＢＫ７でのヤング率と熱膨張係数との積の値は、６８０．６×１０-6ｋＮ／Ｋｍｍ2となる。一方、テンパックス（Ｂ３３）のカタログデータ上のヤング率は６４ｋＮ／ｍｍ2、常温、すなわち２０℃〜３００℃の熱膨張係数は３．２５×１０-6／Ｋである。そして、テンパックスでのヤング率と熱膨張係数との積の値は、２０８×１０-6ｋＮ／Ｋｍｍ2となる。
【００７３】
実際の製品では、ヤング率と熱膨張係数の値に若干のばらつきがあることを踏まえ、今回の測定結果から、ヤング率が８０ｋＮ／ｍｍ2以下の部材を用いること、または、ヤング率と常温時における熱膨張係数の積が６００×１０-6ｋＮ／Ｋｍｍ2以下の部材を用いることが要件であると考えることができる。
【００７４】
一方、ＢＫ７での結果を考えると、ＢＫ７では走査間隔が１μｍの場合には、ビーム照射領域３２への応力が蓄積して、ビーム照射直後、もしくは、熱サイクル試験後にクラックが確認されたものが見受けられた。一方で、走査間隔が２μｍ、４μｍの場合には、ビーム照射エネルギーにかかわらずクラックが発見されなかった。このように、ビーム走査間隔を広げることでクラックの発生が抑えられたことは、ビームの走査間隔が広がることで、ビーム照射部分で発生した応力が平面的に分散され、ビーム照射領域３２全体の応力の蓄積が小さくなったことが原因であると考えられる。
【００７５】
このことから、ビーム走査の間隔として、隣り合うフィラメント領域の走査軌跡が重ならないようにすること、言い換えれば、走査方向と垂直な方向に隣り合うフィラメント領域の走査軌跡が、所定の間隔を有して形成されることで、応力の平面的分散が生じて照射領域全体としての応力の蓄積が小さい、良好な接合面が得られるものと考えられる。
【００７６】
また、今回のビーム照射実験では、フィラメント領域の直径は約１μｍであることが確認されているため、走査間隔を２μｍとした場合には、フィラメント領域の走査軌跡の幅と、隣り合うフィラメント領域の走査軌跡同士の間隔が、ほぼ同じである状態となる。上記実験の結果、ビーム走査間隔が２μｍの場合には、テンパックスに対して、応力の蓄積が生じやすいＢＫ７においても、照射ビームのエネルギーの値にかかわらず、クラックの発生が認められなかったことから、このように、フィラメント領域の走査軌跡の幅と、隣り合う軌跡同士の間隔が同じ大きさとなる場合には、ビーム照射領域に蓄積された応力が小さい、信頼性の高い接合領域が得られると考えられる。
【００７７】
この知見を踏まえ、次に、ビーム走査間隔を広げた場合の接合力の変化について確認する実験を行った。
【００７８】
実験は、試料として３ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ１ｍｍのテンパックス（Ｂ３３）ガラス片を２枚重ねた状態で、超短光パルスレーザービームを照射してフィラメント領域を生成させて２枚のガラスを接合し、この接合体の一方のガラスに接着したワイヤで引きはがして、どれだけの力が加わったときにガラス剥がれが生じるかを測定した。
【００７９】
超短光パルスレーザービームの照射条件は、チタンサファイヤレーザーシステムを用い、中心波長８００ｎｍ、パルス幅が８５ｆｓ（〜１００ｆｓ）、繰り返し周波数１ｋＨｚとし、ビーム照射エネルギーは、５μＪ／パルスであった。ビーム照射系の対物レンズは、倍率１０倍、開口数（ＮＡ）０．３のものを用いた。
【００８０】
２枚のガラスの接合時には、２枚のガラスがしっかりと密着するようにビーム照射部の周囲をジグで押圧し、干渉縞が観察されない程度、すなわち照射されるレーザービーム波長の１／４程度である２００ｎｍ以下の間隔であるようにした。
【００８１】
このようなビーム照射条件で、走査間隔１μｍ、２μｍ、４μｍでビーム照射を行った。
【００８２】
走査間隔が１μｍの場合と、２μｍの場合は、図３（ｃ）に示したように、１辺が１００μｍの正方形状のビーム照射領域３２を３×３の９ブロック形成して接合領域３４を形成するように、１回の走査でのビーム照射長さを１００μｍとし、走査間隔１μｍでは１００回、走査間隔２μｍでは５０回のビーム照射を行って一つのビーム照射領域３２を形成した。なお、それぞれのビーム照射領域３２同士の間隔は１０μｍとした。この結果、接合領域３４は、一辺が３２０μｍの正方形となる。
【００８３】
ビームの走査間隔が４μｍのものについては、接合領域３４をビーム照射領域３２に細分化することなく、１本のビームの走査長さを３００μｍとして、走査間隔４μｍで７５回の走査を行い、結果として、ビーム照射領域の外形は、間隔１μｍや間隔２μｍのものとほぼ同じの３００μｍ×３００μｍとなるようにした。
【００８４】
これらのビーム照射を行った試料を、それぞれのビーム走査間隔について３つずつ作成し、図５に示す測定器具を用いてガラスの接合力を調べた。
【００８５】
図５は、接合強度を測定した試験器の概略イメージ図である。図５に示すように、ベース４１の上に支柱４２を立て、自由に回転できるようにプーリーブロック４３を設けた。そして、接合された２枚のボロシリカガラス（テンパックス）の、レーザービーム入射側のガラス部材１にワイヤ４４を接着し、このワイヤの他端に設けられた皿４５の上に荷重４６を加えていき、接合したガラス試料が２つに割れるまでの荷重を測定した。そして、このとき得られた荷重の値を接合面積で割って接合強度を見積もった。
【００８６】
このときの測定データを、図６に示す。
【００８７】
図６は、走査間隔１μｍ、２μｍ、４μｍの３種について、それぞれの３つの試料に対し、接合面積を接合領域と同じであると考えて、ビーム照射領域の全体、すなわち、３００μｍ×３００μｍとして計算した結果と、接合面積をフィラメント領域の走査軌跡部分のみであると考え、フィラメント領域の軌跡の幅を１μｍとして走査長さを掛けて計算した結果とを示している。
【００８８】
なお、図６下段のグラフでは、接合面積をビーム照射領域の全体とした場合の標準偏差を黒丸で、接合面積をフィラメント領域の幅であるとした場合の標準偏差を白三角で示している。
【００８９】
図６から明らかなように、ビーム照射領域全体を接合面積として考えた場合の接合力は、走査間隔が１μｍの場合と、走査間隔が２μｍの場合とがいずれも２５ＭＰａ程度でほぼ一定である。これに対し、ビーム走査間隔が４μｍの場合には、走査間隔が広い分全体の接合力が低下し、接合強度は２０ＭＰａ以下となっている。
【００９０】
一方、ビーム照射に伴ってガラスの組成が実際に変化した、フィラメント領域の軌跡部分を接合面積として考えた場合には、ビーム照射の走査間隔が広がるにつれて、接合強度が大きくなる傾向がある。これは、ビームの走査間隔が広がることで、隣り合うフィラメント領域の軌跡部分でのガラス組成の変質の影響を受けにくく、ビーム照射部分でより確実な接合が行われていることに起因すると考えられる。ただし、走査間隔が１μｍから２μｍになった場合には、接合強度が約２５ＭＰａから約５０ＭＰａと倍増しているのに対し、走査間隔が４μｍの場合では、接合強度が約５５ＭＰａであることから、走査間隔を広げることによる、実際にビームが照射された部分における接合強度の向上の効果は、飽和する傾向にあることが分かる。
【００９１】
このような結果から、接合体の内部に蓄積される応力を低減するために、フィラメント領域の径である１μｍの倍の２μｍの走査間隔とした場合でも、接合領域全体から得られる接合強度に変化が無いこと、すなわち、接合部の信頼性の観点からも、また、接合部における接合強度の観点からも、走査間隔ｄとフィラメント領域の径ｒとの関係をｄ／ｒ＝２とすることが、極めて実用的であることが理解できる。
【００９２】
特に、ｄ／ｒの数値を２以上とすることで、少ない走査回数で強固な接合強度が得られることから、接合作業のストロークの観点では実用的に好ましいことが分かる。
【００９３】
以上、本発明の部材の接合について、２つの部材をいずれもボロシリカガラスを用いた場合について具体的に説明してきたが、本発明はこれに限られるものではなく、各種部材を用いることができるものである。
【００９４】
なお、超短光パルスレーザービームによってフィラメント領域を生成するために、ビーム入射側の接合部材は、超短光パルスレーザービームに対して透明である必要がある。このため、ビーム入射側の部材としては、ボロシリカガラス以外にも、例えばシリカガラスやノンアルカリガラス（無アルカリガラス）などの各種ガラス、また、アクリル樹脂などを用いることができる。
【００９５】
一方、ビーム入射側とは反対側の接合部材としては、シリカガラスをはじめとする各種のガラス、アクリル樹脂などのビーム入射側の部材と同じ透明な部材の他、ステンレス、鉄、鋼、アルミニウム、または、銅等の主として単体の金属からなる金属板や、これらの金属の少なくともいずれか一つを含む合金板、シリコン基板など超短光パルスレーザービームに対して透明ではない各種の部材を用いることができる。
【００９６】
また、本発明は、常温下で透明部材の透過率の大幅な低下を生じさせることなく、気密を保った接合を行うことができる。したがって、本発明の接合方法を用いた接合体の製造方法によれば、主として透明なガラス部材を利用する各種の光学部材をはじめとして、さまざまな用途の部材を接合することができる。具体的な用途としては、水晶振動子、有機ＥＬディスプレイや有機電池などの各種有機デバイス、ＣＣＤやＣ−ＭＯＳカラーフィルタなどのイメージセンサ、Ｓｉミラー光学素子や圧力センサ、加速度センサなどの各種ＭＥＭＳデバイス、レーザーダイオードや発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体光学素子などが考えられる。
【００９７】
また、本発明の接合方法によれば、半導体デバイスが形成された状態の半導体ウェハと、その半導体ウェハ上にガラスや樹脂などの透明部材からなる光学レンズ素子やパッケージなどを積層して直接接合して、いわゆるウェハレベルパッケージングを行うことができる。
【００９８】
なお、本発明の接合方法によって接合できる半導体基板としては、上記したシリコン基板に限らず、ＧａＡｓ基板やＧａＮ基板などの化合物系の半導体基板も含まれる。そして、本発明の接合方法を用いた製造方法により得られる接合体として、チップ単位に切断されたデバイスとして製造された光学半導体素子、または、半導体製造工程を経た内部に半導体領域が形成されたウェハ基板と、ガラスや透明な樹脂などからなるパッケージやレンズなどの透明部材とを備えた光学部材など、各種の接合体を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
以上本発明の接合方法、およひ、接合体の製造方法は、同種又は異種のガラスなどの透明部材同士や、透明部材と異種の樹脂基板、シリコン基板、金属板、半導体基板などとを接合することができ、光学分野を中心として幅広い分野での応用用途が期待できる。
【符号の説明】
【０１００】
１ 第１のガラス部材
２ 第２のガラス部材
３ 集束レンズ
４ 超短光パルスレーザービーム
６ フィラメント領域
７ 積層面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、
前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、
前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームをその軌跡が互いに重なり合わないように走査して、前記２つの部材を接合することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記超短光パルスレーザービームを、生成させたフィラメント領域におけるビーム径と等しい間隔を開けて走査する請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記超短光パルスレーザービームのフィラメント領域におけるビーム径をｒ、前記超短光パルスレーザービームの走査間隔をｄとしたとき、ｄ／ｒの値が２以上４以下である請求項１に記載の接合方法。
【請求項４】
少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、
前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、
前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームを走査して、前記積層した部材を接合する接合方法であって、
前記透明の部材として、ヤング率が８０ｋＮ／ｍｍ2以下の部材を用いることを特徴とする接合方法。
【請求項５】
少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、
前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、
前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームを走査して、前記積層した部材を接合する接合方法であって、
前記透明の部材として、ヤング率と常温における熱膨張係数の積が６００×１０-6ｋＮ／Ｋｍｍ2以下の部材を用いることを特徴とする接合方法。
【請求項６】
前記透明の部材がガラスである請求項１〜５のいずれか１項に記載の接合方法。
【請求項７】
前記請求項１〜６のいずれか１項に記載の接合方法を用いて、部品の接合を行うことを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項１】
少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、
前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、
前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームをその軌跡が互いに重なり合わないように走査して、前記２つの部材を接合することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記超短光パルスレーザービームを、生成させたフィラメント領域におけるビーム径と等しい間隔を開けて走査する請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記超短光パルスレーザービームのフィラメント領域におけるビーム径をｒ、前記超短光パルスレーザービームの走査間隔をｄとしたとき、ｄ／ｒの値が２以上４以下である請求項１に記載の接合方法。
【請求項４】
少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、
前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、
前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームを走査して、前記積層した部材を接合する接合方法であって、
前記透明の部材として、ヤング率が８０ｋＮ／ｍｍ2以下の部材を用いることを特徴とする接合方法。
【請求項５】
少なくとも一方が透明の部材である２つの部材を積層して保持し、
前記透明な部材の側から超短光パルスレーザービームを入射して、前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によってフィラメント領域を生成させ、
前記フィラメント領域を前記積層した２つの部材の積層面に位置させた状態で、前記超短光パルスレーザービームを走査して、前記積層した部材を接合する接合方法であって、
前記透明の部材として、ヤング率と常温における熱膨張係数の積が６００×１０-6ｋＮ／Ｋｍｍ2以下の部材を用いることを特徴とする接合方法。
【請求項６】
前記透明の部材がガラスである請求項１〜５のいずれか１項に記載の接合方法。
【請求項７】
前記請求項１〜６のいずれか１項に記載の接合方法を用いて、部品の接合を行うことを特徴とする接合体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−５６５１９（Ｐ２０１１−５６５１９Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０６００１（Ｐ２００９−２０６００１）
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（３０００７８４３１）エヌイーシー ショット コンポーネンツ株式会社 (75)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（３０００７８４３１）エヌイーシー ショット コンポーネンツ株式会社 (75)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]