２つの部材の接合方法、および接合体
【課題】経時的に安定な２つの部材の接合体を得る技術を提供する。
【解決手段】第１の部材の接合面上にＳｉＯ2薄膜を適宜の薄膜形成手法にて１０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚みに成長させたうえで、該ＳｉＯ2薄膜を酸溶液またはアルカリ溶液中に浸漬させ、該酸溶液またはアルカリ溶液中で、ＳｉＯ2薄膜の表面に第２の基材を貼り合わせて貼り合わせ体を形成する。その後、該貼り合わせ体を所定の温度および雰囲気圧力にて所定時間保持する。
【解決手段】第１の部材の接合面上にＳｉＯ2薄膜を適宜の薄膜形成手法にて１０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚みに成長させたうえで、該ＳｉＯ2薄膜を酸溶液またはアルカリ溶液中に浸漬させ、該酸溶液またはアルカリ溶液中で、ＳｉＯ2薄膜の表面に第２の基材を貼り合わせて貼り合わせ体を形成する。その後、該貼り合わせ体を所定の温度および雰囲気圧力にて所定時間保持する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同種又は異種の２つの部材の接合体を形成する技術、特に、同種または異種の２つの平板状部材の接合体を形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
同種又は異種の２つの部材を接合する場合、接合対象とされる部材の種類に応じて適切な手法が選択される。例えば、フルオレン骨格を有するエポキシあるいはアクリレート樹脂組成物からなる接着剤を接着層の形成に用いることで、厚みが１０μｍ以下という薄層の基材と他の基材との接合体を得る手法（例えば、特許文献１参照）や、バルクのガラスあるいは他の素材にバルクガラスを直接にアルカリ接合する手法（例えば、特許文献２）などが公知である。
【０００３】
また、電極膜、および指示膜を形成した圧電性セラミックス基板の成膜面を、接着剤によってもう一方の圧電性セラミック基板と貼り合わせる工程を含む、圧電薄膜デバイスの製造方法も公知である（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３３７２７４号公報
【特許文献２】特開２００７−６３０５５号公報
【特許文献３】特開２００７−２２８３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）およびタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）の基材同士を接合する場合が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、圧電性セラミックス基板として、水晶（ＳｉＯ2）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ3）、ランガサイト（Ｌａ3Ｇａ3ＳｉＯ14）などが例示され、デバイス製造過程において、一方の基板の薄膜形成面に他方の基板をエポキシ接着剤やアクリル接着剤にて貼り合わせる旨が述べられている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１や特許文献３に開示のように接着剤にて貼り合わせを行った場合、接着剤にて形成された接着層の厚みは必ずしも均一とはならず、接着面の面内方向に分布を持ち得る。係る厚み分布の存在は、特許文献３に開示されているような機能デバイスに、不要な電界分布、誘電率分布、振動数分布などを生じさせ、デバイス特性を劣化させる要因となり、好ましくない。
【０００８】
一方、特許文献２に開示されているのは、少なくともマイクロチップを形成しうる程度のサイズを有するバルクのガラスを他の部材と接合する手法であり、双方がバルクのガラスではない２つの部材の接合、および間に接合層を介在させて接合体を形成する態様に関しては、特許文献２には何ら開示されてはいない。
【０００９】
また、２つの部材を接合することによって接合体を形成した場合、一般的・普遍的要請として、その接合が経時的に安定であることが望まれる。なお、特許文献２に開示の方法で作製したガラス接合体については、時間が経過するにつれて、経時劣化が生じることが、本発明の発明者によって確認されている。具体的には、接合強度が低下しはく離しやすくなること、および保管温度が高いほど接合強度の低下とはく離とが起こりやすいことが、確認されている。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、経時的に安定な２つの部材の接合体を得る技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、２つの部材を接合する方法であって、第１の部材の接合面上にＳｉＯ2薄膜を成長させるＳｉＯ2薄膜形成工程と、前記ＳｉＯ2薄膜を酸溶液またはアルカリ溶液中に浸漬させる浸漬工程と、前記酸溶液またはアルカリ溶液中で、ＳｉＯ2薄膜の表面に第２の基材を貼り合わせて貼り合わせ体を形成する貼り合わせ工程と、前記貼り合わせ体を所定の温度および雰囲気圧力にて保持する保持工程と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１に記載の接合方法であって、前記ＳｉＯ2薄膜が結晶性薄膜である、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の接合方法であって、前記ＳｉＯ2薄膜が１０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚みに形成される、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項３に記載の接合方法であって、前記ＳｉＯ2薄膜が１００ｎｍ以上１μｍ以下の厚みに形成される、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の接合方法であって、前記第１の部材の前記接合面上に金属薄膜層が形成されてなり、前記ＳｉＯ2薄膜形成工程においては、前記金属薄膜層の上に前記ＳｉＯ2薄膜を形成する、ことを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項５に記載の接合方法であって、前記金属薄膜層がパターニングされてなり、前記ＳｉＯ2薄膜形成工程においては、前記金属薄膜層の非形成部分を含め前記第１の部材の前記接合面上に前記ＳｉＯ2薄膜を形成する、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の接合方法であって、前記第１と第２の部材の少なくとも一方が平板状部材である、ことを特徴とする。
【００１８】
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の接合方法であって、前記第１と第２の部材の少なくとも一方が、セラミックス単結晶基板、ガラス基板、あるいはシリコン単結晶基板のいずれかである、ことを特徴とする。
【００１９】
請求項９の発明は、２つの部材が接合層によって接合された接合体であって、前記接合層が第１の部材の接合面上に成長したＳｉＯ2薄膜であり、第２の部材の接合面と前記ＳｉＯ2薄膜とが直接接合されてなる、ことを特徴とする。
【００２０】
請求項１０の発明は、請求項９に記載の接合体であって、前記ＳｉＯ2薄膜が結晶性薄膜である、ことを特徴とする。
【００２１】
請求項１１の発明は、請求項９または請求項１０に記載の接合体であって、前記ＳｉＯ2薄膜が１０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚みに形成されてなる、ことを特徴とする。
【００２２】
請求項１２の発明は、請求項１１に記載の接合体であって、前記ＳｉＯ2薄膜が１００ｎｍ以上１μｍ以下の厚みに形成されてなる、ことを特徴とする。
【００２３】
請求項１３の発明は、請求項９ないし請求項１２のいずれかに記載の接合体であって、前記第１の部材の前記一主面上に金属薄膜層が形成されてなり、前記金属薄膜層の上に前記ＳｉＯ2薄膜が形成されてなる、ことを特徴とする。
【００２４】
請求項１４の発明は、請求項１３に記載の接合体であって、前記金属薄膜層がパターニングされてなり、前記金属薄膜層の非形成部分を含め前記第１の部材の前記一主面上に前記ＳｉＯ2薄膜が形成されてなる、ことを特徴とする。
【００２５】
請求項１５の発明は、請求項９ないし請求項１４のいずれかに記載の接合体であって、前記第１と第２の部材の少なくとも一方が平板状部材である、ことを特徴とする。
【００２６】
請求項１６の発明は、請求項９ないし請求項１５のいずれかに記載の接合体であって、前記第１と第２の部材の少なくとも一方が、セラミックス単結晶基板、ガラス基板、あるいはシリコン単結晶基板のいずれかである、ことを特徴とする。
【００２７】
請求項１７の発明は、２つの部材の接合体が、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の接合方法によって作製されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
請求項１ないし請求項１７の発明によれば、同種または異種の２つの部材の接合体を形成する場合に、両者を接合する接合層としてのＳｉＯ2薄膜を薄膜形成法により一方の部材の接合面上に形成するとともに、他方の部材とＳｉＯ2膜とを直接接合することにより、接合強度の経時的安定性に優れた接合体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
＜第１の実施の形態＞
＜接合体の構成および作製方法＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る方法にて作製される接合体１０Ａの構造を示す断面図である。なお、図１および以降の図における基材や接合層の大きさの比率は、実際のものを反映したものではない。
【００３０】
図１に示す接合体１０Ａは、いずれも平板状部材Ｓである第１基材１と第２基材２とが、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）からなる薄膜層である接合層３によって接合された構造を有している。
【００３１】
図２は、接合体１０Ａの作製方法について、その流れを示す図である。
【００３２】
まず、第１基材１および第２基材２となる２枚の平板状部材Ｓを用意する（ステップＳ１）。
【００３３】
平板状部材Ｓとしては、水晶（ＳｉＯ2）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ3）、ランガサイト（Ｌａ3Ｇａ3ＳｉＯ14）などの種々の単結晶基板や、石英ガラス基板や、シリコン単結晶基板などを用いることができる。
【００３４】
なお、第１基材１に用いる平板状部材Ｓと第２基材２に用いる平板状部材Ｓとは、同種の材料からなるものである必要はなく、相異なる材料のものを第１基材１と第２基材２とに用いる態様であってもよい。
【００３５】
また、第１基材１と第２基材２の厚みには、接合体１０Ａを実質的に形成可能であれば特段の制限はないが、取り扱いの便宜上、数百μｍ〜数ｍｍ程度の厚みをするのが好適である。また、第１基材１と第２基材２の厚みは同じである必要はなく、また、接合体１０Ａの形成後にいずれか一方または両方を研磨やエッチングなどによって薄層化し、数μｍ程度の厚み、あるいはさらに小さいサブミクロンオーダーの厚みを有するようにする態様であってもよい。
【００３６】
十分な接合強度を確保するという観点からは、第１基材１および第２基材２として用いる平板状部材Ｓは、その接合面（接合層３と接する面）が、実質的に原子レベルの平坦性を有するものとされてなるのが好ましい。例えば、該接合面について、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）にて測定した表面粗さＲａの値が、０．１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲にあるのが好適である。
【００３７】
２枚の平板状部材Ｓが用意できると、そのうちの一方の、第１基材１として用いる平板状部材Ｓの一主面（接合面）の上に、接合体１０Ａを形成後に接合層３となるＳｉＯ2膜を成長させる（ステップＳ２）。ＳｉＯ2膜の厚みは、接合体１０Ａを使用する際に必要とされる接合強度や、第１基材１および第２基材２として用いる部材の種類、および接合層３自身の強度などを勘案して、適宜に定めればよい。例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚みを有するように形成されるのが好適である。この範囲より厚みが小さい場合は、ＳｉＯ2膜自体の強度の確保が難しい。また、上記範囲を超えて、ＳｉＯ2膜を形成することは、接着層３としての機能の確保に必要とされる以上のＳｉＯ2膜を形成することになり、コスト面等を考えると好ましくない。あるいは、接合体１０Ａが機能デバイスとして利用される場合などに、必要以上の厚みを有するＳｉＯ2膜の存在がデバイス特性に悪影響を与えるおそれなども考えられる。より好ましくは、ＳｉＯ2膜、１００ｎｍ以上１μｍ以下の厚みを有するように形成される。なお、完成した接合体１０Ａにおける接合層３の厚みは、形成したＳｉＯ2膜の厚みとほぼ同程度である。
【００３８】
ＳｉＯ2膜の形成手法としては、蒸着法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、スパッタ法など、種々の薄膜形成手法を適用することができる。ただし、アルカリ元素などの不純物元素がＳｉＯ2膜中に混入することは、接合強度劣化の要因となるので、係る混入ができるだけ生じない手法にてＳｉＯ2膜を形成するようにする。
【００３９】
また、いずれの薄膜形成手法を用いる場合においても、ＳｉＯ2膜は結晶性の膜として形成されるのが好適であるが、接合強度の劣化要因となる不純物の混入が十分に抑制されるのであれば、アモルファス膜として形成される態様であってもよい。
【００４０】
このようにしてＳｉＯ2膜の形成が終了すると、このＳｉＯ2膜が形成された平板状部材Ｓ（第１基材１）を、酸溶液またはアルカリ溶液中に浸漬して保持する（ステップＳ３）。酸溶液としてはフッ酸（ＨＦ）水溶液などを、アルカリ溶液としては水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液などを、用いることができる。水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いる場合であれば、５ｗｔ％〜４０ｗｔ％程度の濃度のものを用いるのが好適である。係る浸漬は、ＳｉＯ2膜を軟化させて接着性を発現させる目的で行う。従って、係る浸漬は、ＳｉＯ2膜に十分な接着性が発現するのに必要な時間範囲で、行うようにすればよい。なお、ＳｉＯ2膜が十分に酸溶液またはアルカリ溶液に浸漬される状態が実現されるのであれば、必ずしも第１基材１全体が酸溶液またはアルカリ溶液中に浸漬される必要はなく、少なくともＳｉＯ2膜が酸溶液またはアルカリ溶液中に浸漬された状態が実現されていればよい。
【００４１】
所定の浸漬時間が経過した後、酸溶液またはアルカリ溶液中において、第１基材１に形成されたＳｉＯ2膜の表面に、第２基材２となる平板状部材Ｓの一主面（接合面）を重ねる態様にて、第１基材１と第２基材２とを貼り合わせ、貼り合わせ体を形成する（ステップＳ４）。
【００４２】
そして、この貼り合わせ状態を維持したまま、貼り合わせ体を酸溶液またはアルカリ溶液から引き上げて、６０℃〜１５０℃の温度、および０．６ＭＰａ〜２ＭＰａの雰囲気圧力の下で、４時間〜１５時間保持することで、乾燥させる（ステップＳ５）。
【００４３】
これにより、ＳｉＯ2膜と第２基材２との直接接合が実現され、結果として、ＳｉＯ2膜が接合層３となって第１基材１と第２基材２とが接合された接合体１０Ａが作製される。
【００４４】
＜接合体の接合強度の経時的安定性＞
以上の手順により得られた接合体１０Ａは、接合強度の経時的な安定性が良好に得られるものとなっている。このことは例えば、作製後、所定時間が経過した接合体１０Ａに対して、引きはがし試験を行うことで、確認することができる。一例として、一方の基材をＬｉＮｂＯ3単結晶基板とし、他方の基材を石英ガラス基板とした接合体について、作製後２４時間が経過した後に引きはがし試験を行った場合に、接合界面におけるはく離は生じず、第１基材１または第２基材２を構成する平板状部材Ｓが破壊される母材破壊が生じるということが、本発明の発明者によって確認されている（実施例１参照）。すなわち、薄膜形成手法によって形成した第１の基材１としての平板状部材ＳとＳｉＯ2膜との接合、およびＳｉＯ2膜と第２の基材２としての平板状部材Ｓとの直接接合のいずれもが、十分な接合強度を有するものとして、接合体１０Ａは作製されてなる。
【００４５】
また、これまで説明しているように、本実施の形態において作製される接合体１０Ａは、２つの平板状部材Ｓの間に接合層を介在させてなるものであり、しかも、一方の平板状部材の主面上に、接合層となるＳｉＯ2膜を成長させたうえで該ＳｉＯ2膜に対し一方の平板状部材Ｓを直接接合したものである。よって、特許文献２に開示されているような、バルクガラスを他の部材とアルカリ接合することで得られる接合体とは異なる構造を有してなる。特許文献２に係る技術で作製される接合体の場合に、本実施の形態に係る接合体１０Ａ（例えば上述のように、ＬｉＮｂＯ3単結晶基板と石英ガラス基板とを基材とし、かつＳｉＯ2薄膜を接合層として設けた接合体）と同程度の十分な経時的安定性を得ることは難しい。
【００４６】
なぜならば、バルクガラスには通常、不純物元素としてアルカリ元素等が相当量含まれており、バルクガラスを他の部材と直接にアルカリ接合した接合体においては、該不純物元素がバルクガラス中を拡散して接合界面に徐々に偏析し、その結果、時間が経過するにつれて接合界面の強度が低下するからである。これに対して、上述のような薄膜形成手法にて形成されるＳｉＯ2膜を接合層３として有する本実施の形態に係る接合体１０Ａにおいては、そのような不純物元素の混入はほとんど生じることはないので、係る不純物元素の混入を原因とする接合強度の劣化が引き起こされることはない。
【００４７】
換言すれば、本実施の形態においては、不純物元素が含まれないＳｉＯ2薄膜を直接接合に用いることで、十分な経時的安定性が確保されているともいえる。
【００４８】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、同種または異種の平板状部材の接合体を形成する場合に、両者を接合する接合層としてのＳｉＯ2膜を薄膜形成法により一方の平板状部材の主面上に形成したうえで、他方の平板状部材とＳｉＯ2膜との直接接合を行うことにより、接合強度の経時的安定性に優れた接合体を得ることができる。
【００４９】
＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態においては、２つの基材の双方が平板状部材Ｓである接合体を対象として説明しているが、ＳｉＯ2薄膜を接合層として用いる態様はこれに限られるものではない。なお、以降の説明においては、第１の実施の形態に係る接合体１０Ａの構成要素と同じ構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５０】
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る方法にて作製される２種類の接合体の構造を示す図である。
【００５１】
図３（ａ）は、一方の接合体１０Ｂの構造を示す断面図である。接合体１０Ｂは、平板状部材Ｓの上に薄膜層Ｆが形成された第１基材１と、平板状部材Ｓからなる第２基材２とが、薄膜層Ｆを両基材の間に介在させる態様にて接合層３によって接合された構成を有する。
【００５２】
図３（ｂ）は、他方の接合体１０Ｃの構造を示す断面図である。接合体１０Ｃは、平板状部材Ｓの上にパターニングされた薄膜層Ｆが形成された第１基材１と、平板状部材Ｓからなる第２基材２とが、薄膜層Ｆを両基材の間に介在させる態様にて、しかも、薄膜層Ｆのパターニングに対応させて形成された接合層３によって接合された構成を有する。薄膜層Ｆは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）などからなる金属薄膜である。
【００５３】
すなわち、接合体１０Ｂおよび１０Ｃはともに、第１基材１が平板状部材Ｓに薄膜層Ｆを設けたものであるという点で共通し、薄膜層Ｆがパターニングされたものであるか否かという点で相違するものである。
【００５４】
図４は、接合体１０Ｂおよび接合体１０Ｃの作製方法について、その流れを示す図である。
【００５５】
本実施の形態においても、２枚の平板状部材Ｓを用意する点は第１の実施の形態と同様であるが（ステップＳ１）、一方の平板状部材Ｓに対して、薄膜層Ｆを形成することで第１基材１を得る（ステップＳ１β）点で、第１の実施の形態とは異なる。
【００５６】
薄膜層Ｆは、接合体１０Ｂおよび接合体１０Ｃにおけるその機能・用途に応じて適宜の厚みで形成される。例えば、２０ｎｍ〜１μｍ程度の厚みに形成される。
【００５７】
薄膜層Ｆの形成手法としては、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法、など、種々の薄膜形成手法を適用することができる。なお、接合体１０Ｃのようにパターニングを行う場合には、公知のフォトリソグラフィープロセスを用いることができる。
【００５８】
このようにして薄膜層Ｆが形成された第１基材１が得られると、第１基材１の薄膜層Ｆが形成された面の上に、第１の実施の形態と同様にＳｉＯ2膜を形成する（ステップＳ２）。なお、接合体１０Ｃを形成する場合、得られたＳｉＯ2膜の上面に薄膜層Ｆのパターニングに由来する段差が生じることがあるが、この場合には、係る段差が解消されるように、ＳｉＯ2膜を上面側から所定の厚みだけ研磨しておくのが好ましい。より好ましくは、ＳｉＯ2膜の上面が、実質的に原子レベルの平坦性を有するものとされる。例えば、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）にて測定した表面粗さＲａの値が、０．１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲にあるように、研磨が行われるのが好適である。
【００５９】
ＳｉＯ2膜が形成（および研磨）された以降は、第１の実施の形態に係る接合体１０Ａの作製方法と同様に、酸溶液またはアルカリ溶液への浸漬（ステップＳ３）、液中での貼り合わせ（ステップＳ４）、および貼り合わせ体の所定温度および雰囲気圧力下での保持・乾燥（ステップＳ５）を順次に行えばよい。
【００６０】
以上の手順より、接合体１０Ｂおよび接合体１０Ｃが作製される。
【００６１】
このようにして作製した接合体１０Ｂおよび接合体１０Ｃにおいても、接合強度の経時的な安定性が良好に得られるものとなっている。このことは、第１の実施の形態と同様に、作製後、所定時間が経過した接合体１０Ｂおよび接合体１０Ｃに対して、引きはがし試験を行うことで、確認することができる。すなわち、第１の基材１における薄膜層Ｆと平板状部材との接合、薄膜層ＦとＳｉＯ2膜との接合、ＳｉＯ2膜と第２の基材２としての平板状部材との接合のいずれにおいても、十分な接合強度を有するように、接合体１０Ｂおよび接合体１０Ｃは作製されている。
【００６２】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、一方の基材の表面に薄膜層が形成されている場合であっても、接合層としてＳｉＯ2膜を薄膜形成法により一方の基材に形成し、直接接合を行うことにより、接合強度の経時的安定性に優れた、セラミックス単結晶基板の接合体を得ることができる。
【００６３】
＜変形例＞
上述の各実施の形態においては、接合体の形成に用いる部材が平板状である場合を対象に説明しているが、接合面が接合可能な程度の平坦性を有していれば、部材の形状は、平板状でなくてもよい。
【実施例】
【００６４】
（実施例１）
本実施例では、第１の実施の形態に係る接合体１０Ａを作製した。平板状部材Ｓとしては、いずれも直径３インチ、厚さ０．５ｍｍであるＬｉＮｂＯ3単結晶基板と石英ガラス基板とを用意した。それぞれについて、接合面を表面粗さＲａが２ｎｍとなるまで研磨した。
【００６５】
ＬｉＮｂＯ3単結晶基板を第１基材１とし、その接合面に、ＳｉＯ2膜をスパッタ法にて５００ｎｍの厚みに形成した後、濃度が５ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液に５分間浸漬した。
【００６６】
５分経過後、水酸化カリウム水溶液中において、第１基材１に形成されたＳｉＯ2膜の上に、第２基材２としての石英ガラス基板の接合面を貼り合わせた。この仮貼り合わせ状態のものを、水酸化カリウム水溶液中から引き上げ、６５℃、０．６Ｍｐａの条件で１２時間保持することで、接合体１０Ａを得た。
【００６７】
得られた接合体１０Ａについて、引きはがし試験を行なった。その結果、母材破壊が生じ、接合面での破壊は生じなかった。
【００６８】
また、同じ条件で作製した接合体１０Ａについて、さらに温度１２０℃の高温保持試験を２０００時間行い、その後に同様の引きはがし試験を行なった場合も、同様の結果であった。
【００６９】
（実施例２）
本実施例では、第２の実施の形態に係る接合体１０Ｂを作製した。平板状部材Ｓとしては、いずれも直径３インチ、厚さ０．５ｍｍである２枚のＬｉＴａＯ3単結晶基板を用意した。それぞれについて、接合面を表面粗さＲａが２ｎｍとなるまで研磨した。
【００７０】
一方のＬｉＴａＯ3単結晶基板に、薄膜層Ｆとしてのルテニウム膜をスパッタ法にて２００ｎｍの厚みに形成することによって、第１基材１を得た上で、該ルテニウム上にＣＶＤ法にてＳｉＯ2膜を５００ｎｍの厚みに形成した。
【００７１】
以降は、実施例１と同様の手順で、接合体１０Ｂを得た。
【００７２】
得られた接合体１０Ｂについて、引きはがし試験を行なった結果、母材破壊が生じ、接合面での破壊は生じなかった。
【００７３】
また、同じ条件で作製した接合体１０Ｂについて、さらに温度１２０℃の高温保持試験を２０００時間行い、その後に同様の引きはがし試験を行なった場合も、同様の結果であった。
【００７４】
（実施例３）
本実施例では、第２の実施の形態に係る接合体１０Ｃを作製した。平板状部材Ｓとしては、いずれも直径３インチ、厚さ０．５ｍｍであるＳｉ単結晶基板と水晶単結晶基板とを用意した。Ｓｉ単結晶基板について、接合面を表面粗さＲａが２ｎｍとなるまで研磨した。
【００７５】
水晶単結晶基板の表面全面に薄膜層Ｆとしてのルテニウム膜をスパッタ法にて２００ｎｍの厚みに形成した後、フォトリソグラフィーにてパターニングを施すことによって第１基材１を得た上で、該ルテニウム上にゾルゲル法にてＳｉＯ2膜を１０００ｎｍの厚みに形成した。
【００７６】
ＳｉＯ2膜を表面側から５００ｎｍ研磨し、薄膜層Ｆのパターン輪郭の段差を無くすとともに、ＳｉＯ2膜の表面粗さＲａを２ｎｍとした。
【００７７】
以降は、実施例１と同様の手順で、接合体１０Ｃを得た。
【００７８】
得られた接合体１０Ｃについて、引きはがし試験を行なった結果、母材破壊が生じ、接合面での破壊は生じなかった。
【００７９】
また、同じ条件で作製した接合体１０Ｃについて、さらに温度１２０℃の高温保持試験を２０００時間行い、その後に同様の引きはがし試験を行なった場合も、同様の結果であった。
【００８０】
（比較例１）
本比較例では、特許文献１に開示された方法と同様の手法で、ＬｉＴａＯ3基板とシリコン基板との接合体を得た。
【００８１】
具体的には、まず、１５ｍｍ角に切り出した１ｍｍ厚のＬｉＴａＯ3基板を用意し、２０ｍｍ角に切り出した１ｍｍ厚のシリコン基板を用意するとともに、接着剤として用いる、フルオレン骨格を有するアクリレート樹脂（以下、単に樹脂と称する）として、新日鐵化学株式会社製のカルド型アクリレート樹脂（Ｖ−２５９ＰＡ）を用意した。当該樹脂は、粘度が７０ｃｐｓとなるように調製した。
【００８２】
ＬｉＴａＯ3基板とシリコン基板とを洗浄した後、シリコン基板の主面上に樹脂を滴下し、ＬｉＴａＯ3基板を重ねて加圧することにより貼り合わせを行った。得られた貼り合わせ体を、１００℃で１時間加熱することで樹脂を仮硬化させた後、さらに２００℃で１時間加熱することで、樹脂を硬化させ、接着体を得た。なお、接着剤層の厚さは０．２μｍであった。
【００８３】
図５は、得られた接着体についてレーザー干渉計により観察を行った結果を示す図である。図５に示す観察結果からは、接着剤層が鞍型形状に厚さ分布を持つことが確認される。すなわち、本比較例に係る手法で接着を行った場合には、接着剤層の厚みが不均一となることが確認された。
【００８４】
また、接着体を、高温保持試験に投入し、接合性を評価した。条件は、温度を１２０℃、試験時間を２００時間とした。
【００８５】
試験後の接合体を目視したところ、接合面に白濁が見出された。また、図６は、試験前後の接着体の断面についての観察像を示す図である。図６（ａ）は試験前、図６（ｂ）は試験後の像である。図６（ｂ）に示す像から、試験後の接着体の接着剤層にはく離が生じていることが確認された。
【００８６】
この結果は、特許文献１に係る方法で作製した接合体には、接合強度に経時劣化が生じることを指し示している。
【００８７】
（比較例２）
本比較例においては、特許文献２に開示された方法と同様の手法で、ガラス同士の接合体を得た。本比較例では、平板状部材として、いずれも直径３インチ、厚さ０．５ｍｍである２枚の石英ガラス基板を用意した。それぞれについて、接合面を表面粗さＲａが２ｎｍとなるまで研磨した。
【００８８】
２枚の石英ガラス基板を、濃度が５ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液に５分間浸漬した。
【００８９】
５分経過後、水酸化カリウム水溶液中において、石英ガラス基板の接合面を貼り合わせた。この仮貼り合わせ状態のものを、水酸化カリウム水溶液中から引き上げ、６５℃、０．６Ｍｐａの条件で１２時間保持することで、接合体を得た。
【００９０】
本接合体を保持温度および保持時間を複数に変えた条件で高温保持試験を行い、試験後の接合強度試験を行なった。
【００９１】
接合体の接合強度試験として、ブレードテストを実施した。本試験は、接合体の接合面端部にナイフエッジを挿入し、該端部からはく離が伸展した距離を測定することで接合強度を評価する手法である。はく離伸展距離が短いほど接合強度が強く、はく離伸展距離が長いほど接合強度が弱いと評価できる。
【００９２】
図７は、本比較例に係る接合体についてのブレードテストの結果を示す図である。図７に高温保持時間とはく離伸展距離の関係を示す。保持温度１２０℃の接合体は、保持時間１６０時間において、はく離伸展距離は１５．５ｍｍであったが、接合体のハンドリング時に簡単に基板がはがれてしまい、ほとんど接合強度を維持しておらず、完全にはく離した状態に至っていた。同様に保持時間１００℃の場合保持時間２４０時間、保持温度８０℃の場合保持時間４００時間で完全はく離に至った。この結果から、高温保持試験による保持時間が長くなるに従って次第に接合強度が低下し、最終的にははく離に至ること、試験温度が高くなるほど強度低下とはく離とが早く起きることが判る。係る結果は、本比較例に係る接合体は、上述の各実施例に係る接合体のような十分な接合強度を有していないことを示している。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】第１の実施の形態に係る方法にて作製される接合体１０Ａの構造を示す断面図である。
【図２】接合体１０Ａの作製方法について、その流れを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る方法にて作製される２種類の接合体の構造を示す図である。
【図４】接合体１０Ｂおよび接合体１０Ｃの作製方法について、その流れを示す図である。
【図５】比較例１に係る接着体についてレーザー干渉計により観察を行った結果を示す図である。
【図６】比較例１に係る接着体について、ＨＡＳＴ試験前後の接着体の断面についての観察像を示す図である。
【図７】比較例２に係る接合体についてのブレードテストの結果を示す図である。
【符号の説明】
【００９４】
１ 第１基材
２ 第２基材
３ 接合層
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 接合体
Ｆ 薄膜層
Ｓ 平板状部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同種又は異種の２つの部材の接合体を形成する技術、特に、同種または異種の２つの平板状部材の接合体を形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
同種又は異種の２つの部材を接合する場合、接合対象とされる部材の種類に応じて適切な手法が選択される。例えば、フルオレン骨格を有するエポキシあるいはアクリレート樹脂組成物からなる接着剤を接着層の形成に用いることで、厚みが１０μｍ以下という薄層の基材と他の基材との接合体を得る手法（例えば、特許文献１参照）や、バルクのガラスあるいは他の素材にバルクガラスを直接にアルカリ接合する手法（例えば、特許文献２）などが公知である。
【０００３】
また、電極膜、および指示膜を形成した圧電性セラミックス基板の成膜面を、接着剤によってもう一方の圧電性セラミック基板と貼り合わせる工程を含む、圧電薄膜デバイスの製造方法も公知である（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３３７２７４号公報
【特許文献２】特開２００７−６３０５５号公報
【特許文献３】特開２００７−２２８３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）およびタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）の基材同士を接合する場合が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、圧電性セラミックス基板として、水晶（ＳｉＯ2）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ3）、ランガサイト（Ｌａ3Ｇａ3ＳｉＯ14）などが例示され、デバイス製造過程において、一方の基板の薄膜形成面に他方の基板をエポキシ接着剤やアクリル接着剤にて貼り合わせる旨が述べられている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１や特許文献３に開示のように接着剤にて貼り合わせを行った場合、接着剤にて形成された接着層の厚みは必ずしも均一とはならず、接着面の面内方向に分布を持ち得る。係る厚み分布の存在は、特許文献３に開示されているような機能デバイスに、不要な電界分布、誘電率分布、振動数分布などを生じさせ、デバイス特性を劣化させる要因となり、好ましくない。
【０００８】
一方、特許文献２に開示されているのは、少なくともマイクロチップを形成しうる程度のサイズを有するバルクのガラスを他の部材と接合する手法であり、双方がバルクのガラスではない２つの部材の接合、および間に接合層を介在させて接合体を形成する態様に関しては、特許文献２には何ら開示されてはいない。
【０００９】
また、２つの部材を接合することによって接合体を形成した場合、一般的・普遍的要請として、その接合が経時的に安定であることが望まれる。なお、特許文献２に開示の方法で作製したガラス接合体については、時間が経過するにつれて、経時劣化が生じることが、本発明の発明者によって確認されている。具体的には、接合強度が低下しはく離しやすくなること、および保管温度が高いほど接合強度の低下とはく離とが起こりやすいことが、確認されている。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、経時的に安定な２つの部材の接合体を得る技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、２つの部材を接合する方法であって、第１の部材の接合面上にＳｉＯ2薄膜を成長させるＳｉＯ2薄膜形成工程と、前記ＳｉＯ2薄膜を酸溶液またはアルカリ溶液中に浸漬させる浸漬工程と、前記酸溶液またはアルカリ溶液中で、ＳｉＯ2薄膜の表面に第２の基材を貼り合わせて貼り合わせ体を形成する貼り合わせ工程と、前記貼り合わせ体を所定の温度および雰囲気圧力にて保持する保持工程と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１に記載の接合方法であって、前記ＳｉＯ2薄膜が結晶性薄膜である、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の接合方法であって、前記ＳｉＯ2薄膜が１０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚みに形成される、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項３に記載の接合方法であって、前記ＳｉＯ2薄膜が１００ｎｍ以上１μｍ以下の厚みに形成される、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の接合方法であって、前記第１の部材の前記接合面上に金属薄膜層が形成されてなり、前記ＳｉＯ2薄膜形成工程においては、前記金属薄膜層の上に前記ＳｉＯ2薄膜を形成する、ことを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項５に記載の接合方法であって、前記金属薄膜層がパターニングされてなり、前記ＳｉＯ2薄膜形成工程においては、前記金属薄膜層の非形成部分を含め前記第１の部材の前記接合面上に前記ＳｉＯ2薄膜を形成する、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の接合方法であって、前記第１と第２の部材の少なくとも一方が平板状部材である、ことを特徴とする。
【００１８】
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の接合方法であって、前記第１と第２の部材の少なくとも一方が、セラミックス単結晶基板、ガラス基板、あるいはシリコン単結晶基板のいずれかである、ことを特徴とする。
【００１９】
請求項９の発明は、２つの部材が接合層によって接合された接合体であって、前記接合層が第１の部材の接合面上に成長したＳｉＯ2薄膜であり、第２の部材の接合面と前記ＳｉＯ2薄膜とが直接接合されてなる、ことを特徴とする。
【００２０】
請求項１０の発明は、請求項９に記載の接合体であって、前記ＳｉＯ2薄膜が結晶性薄膜である、ことを特徴とする。
【００２１】
請求項１１の発明は、請求項９または請求項１０に記載の接合体であって、前記ＳｉＯ2薄膜が１０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚みに形成されてなる、ことを特徴とする。
【００２２】
請求項１２の発明は、請求項１１に記載の接合体であって、前記ＳｉＯ2薄膜が１００ｎｍ以上１μｍ以下の厚みに形成されてなる、ことを特徴とする。
【００２３】
請求項１３の発明は、請求項９ないし請求項１２のいずれかに記載の接合体であって、前記第１の部材の前記一主面上に金属薄膜層が形成されてなり、前記金属薄膜層の上に前記ＳｉＯ2薄膜が形成されてなる、ことを特徴とする。
【００２４】
請求項１４の発明は、請求項１３に記載の接合体であって、前記金属薄膜層がパターニングされてなり、前記金属薄膜層の非形成部分を含め前記第１の部材の前記一主面上に前記ＳｉＯ2薄膜が形成されてなる、ことを特徴とする。
【００２５】
請求項１５の発明は、請求項９ないし請求項１４のいずれかに記載の接合体であって、前記第１と第２の部材の少なくとも一方が平板状部材である、ことを特徴とする。
【００２６】
請求項１６の発明は、請求項９ないし請求項１５のいずれかに記載の接合体であって、前記第１と第２の部材の少なくとも一方が、セラミックス単結晶基板、ガラス基板、あるいはシリコン単結晶基板のいずれかである、ことを特徴とする。
【００２７】
請求項１７の発明は、２つの部材の接合体が、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の接合方法によって作製されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
請求項１ないし請求項１７の発明によれば、同種または異種の２つの部材の接合体を形成する場合に、両者を接合する接合層としてのＳｉＯ2薄膜を薄膜形成法により一方の部材の接合面上に形成するとともに、他方の部材とＳｉＯ2膜とを直接接合することにより、接合強度の経時的安定性に優れた接合体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
＜第１の実施の形態＞
＜接合体の構成および作製方法＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る方法にて作製される接合体１０Ａの構造を示す断面図である。なお、図１および以降の図における基材や接合層の大きさの比率は、実際のものを反映したものではない。
【００３０】
図１に示す接合体１０Ａは、いずれも平板状部材Ｓである第１基材１と第２基材２とが、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）からなる薄膜層である接合層３によって接合された構造を有している。
【００３１】
図２は、接合体１０Ａの作製方法について、その流れを示す図である。
【００３２】
まず、第１基材１および第２基材２となる２枚の平板状部材Ｓを用意する（ステップＳ１）。
【００３３】
平板状部材Ｓとしては、水晶（ＳｉＯ2）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ3）、ランガサイト（Ｌａ3Ｇａ3ＳｉＯ14）などの種々の単結晶基板や、石英ガラス基板や、シリコン単結晶基板などを用いることができる。
【００３４】
なお、第１基材１に用いる平板状部材Ｓと第２基材２に用いる平板状部材Ｓとは、同種の材料からなるものである必要はなく、相異なる材料のものを第１基材１と第２基材２とに用いる態様であってもよい。
【００３５】
また、第１基材１と第２基材２の厚みには、接合体１０Ａを実質的に形成可能であれば特段の制限はないが、取り扱いの便宜上、数百μｍ〜数ｍｍ程度の厚みをするのが好適である。また、第１基材１と第２基材２の厚みは同じである必要はなく、また、接合体１０Ａの形成後にいずれか一方または両方を研磨やエッチングなどによって薄層化し、数μｍ程度の厚み、あるいはさらに小さいサブミクロンオーダーの厚みを有するようにする態様であってもよい。
【００３６】
十分な接合強度を確保するという観点からは、第１基材１および第２基材２として用いる平板状部材Ｓは、その接合面（接合層３と接する面）が、実質的に原子レベルの平坦性を有するものとされてなるのが好ましい。例えば、該接合面について、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）にて測定した表面粗さＲａの値が、０．１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲にあるのが好適である。
【００３７】
２枚の平板状部材Ｓが用意できると、そのうちの一方の、第１基材１として用いる平板状部材Ｓの一主面（接合面）の上に、接合体１０Ａを形成後に接合層３となるＳｉＯ2膜を成長させる（ステップＳ２）。ＳｉＯ2膜の厚みは、接合体１０Ａを使用する際に必要とされる接合強度や、第１基材１および第２基材２として用いる部材の種類、および接合層３自身の強度などを勘案して、適宜に定めればよい。例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚みを有するように形成されるのが好適である。この範囲より厚みが小さい場合は、ＳｉＯ2膜自体の強度の確保が難しい。また、上記範囲を超えて、ＳｉＯ2膜を形成することは、接着層３としての機能の確保に必要とされる以上のＳｉＯ2膜を形成することになり、コスト面等を考えると好ましくない。あるいは、接合体１０Ａが機能デバイスとして利用される場合などに、必要以上の厚みを有するＳｉＯ2膜の存在がデバイス特性に悪影響を与えるおそれなども考えられる。より好ましくは、ＳｉＯ2膜、１００ｎｍ以上１μｍ以下の厚みを有するように形成される。なお、完成した接合体１０Ａにおける接合層３の厚みは、形成したＳｉＯ2膜の厚みとほぼ同程度である。
【００３８】
ＳｉＯ2膜の形成手法としては、蒸着法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、スパッタ法など、種々の薄膜形成手法を適用することができる。ただし、アルカリ元素などの不純物元素がＳｉＯ2膜中に混入することは、接合強度劣化の要因となるので、係る混入ができるだけ生じない手法にてＳｉＯ2膜を形成するようにする。
【００３９】
また、いずれの薄膜形成手法を用いる場合においても、ＳｉＯ2膜は結晶性の膜として形成されるのが好適であるが、接合強度の劣化要因となる不純物の混入が十分に抑制されるのであれば、アモルファス膜として形成される態様であってもよい。
【００４０】
このようにしてＳｉＯ2膜の形成が終了すると、このＳｉＯ2膜が形成された平板状部材Ｓ（第１基材１）を、酸溶液またはアルカリ溶液中に浸漬して保持する（ステップＳ３）。酸溶液としてはフッ酸（ＨＦ）水溶液などを、アルカリ溶液としては水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液などを、用いることができる。水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いる場合であれば、５ｗｔ％〜４０ｗｔ％程度の濃度のものを用いるのが好適である。係る浸漬は、ＳｉＯ2膜を軟化させて接着性を発現させる目的で行う。従って、係る浸漬は、ＳｉＯ2膜に十分な接着性が発現するのに必要な時間範囲で、行うようにすればよい。なお、ＳｉＯ2膜が十分に酸溶液またはアルカリ溶液に浸漬される状態が実現されるのであれば、必ずしも第１基材１全体が酸溶液またはアルカリ溶液中に浸漬される必要はなく、少なくともＳｉＯ2膜が酸溶液またはアルカリ溶液中に浸漬された状態が実現されていればよい。
【００４１】
所定の浸漬時間が経過した後、酸溶液またはアルカリ溶液中において、第１基材１に形成されたＳｉＯ2膜の表面に、第２基材２となる平板状部材Ｓの一主面（接合面）を重ねる態様にて、第１基材１と第２基材２とを貼り合わせ、貼り合わせ体を形成する（ステップＳ４）。
【００４２】
そして、この貼り合わせ状態を維持したまま、貼り合わせ体を酸溶液またはアルカリ溶液から引き上げて、６０℃〜１５０℃の温度、および０．６ＭＰａ〜２ＭＰａの雰囲気圧力の下で、４時間〜１５時間保持することで、乾燥させる（ステップＳ５）。
【００４３】
これにより、ＳｉＯ2膜と第２基材２との直接接合が実現され、結果として、ＳｉＯ2膜が接合層３となって第１基材１と第２基材２とが接合された接合体１０Ａが作製される。
【００４４】
＜接合体の接合強度の経時的安定性＞
以上の手順により得られた接合体１０Ａは、接合強度の経時的な安定性が良好に得られるものとなっている。このことは例えば、作製後、所定時間が経過した接合体１０Ａに対して、引きはがし試験を行うことで、確認することができる。一例として、一方の基材をＬｉＮｂＯ3単結晶基板とし、他方の基材を石英ガラス基板とした接合体について、作製後２４時間が経過した後に引きはがし試験を行った場合に、接合界面におけるはく離は生じず、第１基材１または第２基材２を構成する平板状部材Ｓが破壊される母材破壊が生じるということが、本発明の発明者によって確認されている（実施例１参照）。すなわち、薄膜形成手法によって形成した第１の基材１としての平板状部材ＳとＳｉＯ2膜との接合、およびＳｉＯ2膜と第２の基材２としての平板状部材Ｓとの直接接合のいずれもが、十分な接合強度を有するものとして、接合体１０Ａは作製されてなる。
【００４５】
また、これまで説明しているように、本実施の形態において作製される接合体１０Ａは、２つの平板状部材Ｓの間に接合層を介在させてなるものであり、しかも、一方の平板状部材の主面上に、接合層となるＳｉＯ2膜を成長させたうえで該ＳｉＯ2膜に対し一方の平板状部材Ｓを直接接合したものである。よって、特許文献２に開示されているような、バルクガラスを他の部材とアルカリ接合することで得られる接合体とは異なる構造を有してなる。特許文献２に係る技術で作製される接合体の場合に、本実施の形態に係る接合体１０Ａ（例えば上述のように、ＬｉＮｂＯ3単結晶基板と石英ガラス基板とを基材とし、かつＳｉＯ2薄膜を接合層として設けた接合体）と同程度の十分な経時的安定性を得ることは難しい。
【００４６】
なぜならば、バルクガラスには通常、不純物元素としてアルカリ元素等が相当量含まれており、バルクガラスを他の部材と直接にアルカリ接合した接合体においては、該不純物元素がバルクガラス中を拡散して接合界面に徐々に偏析し、その結果、時間が経過するにつれて接合界面の強度が低下するからである。これに対して、上述のような薄膜形成手法にて形成されるＳｉＯ2膜を接合層３として有する本実施の形態に係る接合体１０Ａにおいては、そのような不純物元素の混入はほとんど生じることはないので、係る不純物元素の混入を原因とする接合強度の劣化が引き起こされることはない。
【００４７】
換言すれば、本実施の形態においては、不純物元素が含まれないＳｉＯ2薄膜を直接接合に用いることで、十分な経時的安定性が確保されているともいえる。
【００４８】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、同種または異種の平板状部材の接合体を形成する場合に、両者を接合する接合層としてのＳｉＯ2膜を薄膜形成法により一方の平板状部材の主面上に形成したうえで、他方の平板状部材とＳｉＯ2膜との直接接合を行うことにより、接合強度の経時的安定性に優れた接合体を得ることができる。
【００４９】
＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態においては、２つの基材の双方が平板状部材Ｓである接合体を対象として説明しているが、ＳｉＯ2薄膜を接合層として用いる態様はこれに限られるものではない。なお、以降の説明においては、第１の実施の形態に係る接合体１０Ａの構成要素と同じ構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５０】
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る方法にて作製される２種類の接合体の構造を示す図である。
【００５１】
図３（ａ）は、一方の接合体１０Ｂの構造を示す断面図である。接合体１０Ｂは、平板状部材Ｓの上に薄膜層Ｆが形成された第１基材１と、平板状部材Ｓからなる第２基材２とが、薄膜層Ｆを両基材の間に介在させる態様にて接合層３によって接合された構成を有する。
【００５２】
図３（ｂ）は、他方の接合体１０Ｃの構造を示す断面図である。接合体１０Ｃは、平板状部材Ｓの上にパターニングされた薄膜層Ｆが形成された第１基材１と、平板状部材Ｓからなる第２基材２とが、薄膜層Ｆを両基材の間に介在させる態様にて、しかも、薄膜層Ｆのパターニングに対応させて形成された接合層３によって接合された構成を有する。薄膜層Ｆは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）などからなる金属薄膜である。
【００５３】
すなわち、接合体１０Ｂおよび１０Ｃはともに、第１基材１が平板状部材Ｓに薄膜層Ｆを設けたものであるという点で共通し、薄膜層Ｆがパターニングされたものであるか否かという点で相違するものである。
【００５４】
図４は、接合体１０Ｂおよび接合体１０Ｃの作製方法について、その流れを示す図である。
【００５５】
本実施の形態においても、２枚の平板状部材Ｓを用意する点は第１の実施の形態と同様であるが（ステップＳ１）、一方の平板状部材Ｓに対して、薄膜層Ｆを形成することで第１基材１を得る（ステップＳ１β）点で、第１の実施の形態とは異なる。
【００５６】
薄膜層Ｆは、接合体１０Ｂおよび接合体１０Ｃにおけるその機能・用途に応じて適宜の厚みで形成される。例えば、２０ｎｍ〜１μｍ程度の厚みに形成される。
【００５７】
薄膜層Ｆの形成手法としては、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法、など、種々の薄膜形成手法を適用することができる。なお、接合体１０Ｃのようにパターニングを行う場合には、公知のフォトリソグラフィープロセスを用いることができる。
【００５８】
このようにして薄膜層Ｆが形成された第１基材１が得られると、第１基材１の薄膜層Ｆが形成された面の上に、第１の実施の形態と同様にＳｉＯ2膜を形成する（ステップＳ２）。なお、接合体１０Ｃを形成する場合、得られたＳｉＯ2膜の上面に薄膜層Ｆのパターニングに由来する段差が生じることがあるが、この場合には、係る段差が解消されるように、ＳｉＯ2膜を上面側から所定の厚みだけ研磨しておくのが好ましい。より好ましくは、ＳｉＯ2膜の上面が、実質的に原子レベルの平坦性を有するものとされる。例えば、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）にて測定した表面粗さＲａの値が、０．１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲にあるように、研磨が行われるのが好適である。
【００５９】
ＳｉＯ2膜が形成（および研磨）された以降は、第１の実施の形態に係る接合体１０Ａの作製方法と同様に、酸溶液またはアルカリ溶液への浸漬（ステップＳ３）、液中での貼り合わせ（ステップＳ４）、および貼り合わせ体の所定温度および雰囲気圧力下での保持・乾燥（ステップＳ５）を順次に行えばよい。
【００６０】
以上の手順より、接合体１０Ｂおよび接合体１０Ｃが作製される。
【００６１】
このようにして作製した接合体１０Ｂおよび接合体１０Ｃにおいても、接合強度の経時的な安定性が良好に得られるものとなっている。このことは、第１の実施の形態と同様に、作製後、所定時間が経過した接合体１０Ｂおよび接合体１０Ｃに対して、引きはがし試験を行うことで、確認することができる。すなわち、第１の基材１における薄膜層Ｆと平板状部材との接合、薄膜層ＦとＳｉＯ2膜との接合、ＳｉＯ2膜と第２の基材２としての平板状部材との接合のいずれにおいても、十分な接合強度を有するように、接合体１０Ｂおよび接合体１０Ｃは作製されている。
【００６２】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、一方の基材の表面に薄膜層が形成されている場合であっても、接合層としてＳｉＯ2膜を薄膜形成法により一方の基材に形成し、直接接合を行うことにより、接合強度の経時的安定性に優れた、セラミックス単結晶基板の接合体を得ることができる。
【００６３】
＜変形例＞
上述の各実施の形態においては、接合体の形成に用いる部材が平板状である場合を対象に説明しているが、接合面が接合可能な程度の平坦性を有していれば、部材の形状は、平板状でなくてもよい。
【実施例】
【００６４】
（実施例１）
本実施例では、第１の実施の形態に係る接合体１０Ａを作製した。平板状部材Ｓとしては、いずれも直径３インチ、厚さ０．５ｍｍであるＬｉＮｂＯ3単結晶基板と石英ガラス基板とを用意した。それぞれについて、接合面を表面粗さＲａが２ｎｍとなるまで研磨した。
【００６５】
ＬｉＮｂＯ3単結晶基板を第１基材１とし、その接合面に、ＳｉＯ2膜をスパッタ法にて５００ｎｍの厚みに形成した後、濃度が５ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液に５分間浸漬した。
【００６６】
５分経過後、水酸化カリウム水溶液中において、第１基材１に形成されたＳｉＯ2膜の上に、第２基材２としての石英ガラス基板の接合面を貼り合わせた。この仮貼り合わせ状態のものを、水酸化カリウム水溶液中から引き上げ、６５℃、０．６Ｍｐａの条件で１２時間保持することで、接合体１０Ａを得た。
【００６７】
得られた接合体１０Ａについて、引きはがし試験を行なった。その結果、母材破壊が生じ、接合面での破壊は生じなかった。
【００６８】
また、同じ条件で作製した接合体１０Ａについて、さらに温度１２０℃の高温保持試験を２０００時間行い、その後に同様の引きはがし試験を行なった場合も、同様の結果であった。
【００６９】
（実施例２）
本実施例では、第２の実施の形態に係る接合体１０Ｂを作製した。平板状部材Ｓとしては、いずれも直径３インチ、厚さ０．５ｍｍである２枚のＬｉＴａＯ3単結晶基板を用意した。それぞれについて、接合面を表面粗さＲａが２ｎｍとなるまで研磨した。
【００７０】
一方のＬｉＴａＯ3単結晶基板に、薄膜層Ｆとしてのルテニウム膜をスパッタ法にて２００ｎｍの厚みに形成することによって、第１基材１を得た上で、該ルテニウム上にＣＶＤ法にてＳｉＯ2膜を５００ｎｍの厚みに形成した。
【００７１】
以降は、実施例１と同様の手順で、接合体１０Ｂを得た。
【００７２】
得られた接合体１０Ｂについて、引きはがし試験を行なった結果、母材破壊が生じ、接合面での破壊は生じなかった。
【００７３】
また、同じ条件で作製した接合体１０Ｂについて、さらに温度１２０℃の高温保持試験を２０００時間行い、その後に同様の引きはがし試験を行なった場合も、同様の結果であった。
【００７４】
（実施例３）
本実施例では、第２の実施の形態に係る接合体１０Ｃを作製した。平板状部材Ｓとしては、いずれも直径３インチ、厚さ０．５ｍｍであるＳｉ単結晶基板と水晶単結晶基板とを用意した。Ｓｉ単結晶基板について、接合面を表面粗さＲａが２ｎｍとなるまで研磨した。
【００７５】
水晶単結晶基板の表面全面に薄膜層Ｆとしてのルテニウム膜をスパッタ法にて２００ｎｍの厚みに形成した後、フォトリソグラフィーにてパターニングを施すことによって第１基材１を得た上で、該ルテニウム上にゾルゲル法にてＳｉＯ2膜を１０００ｎｍの厚みに形成した。
【００７６】
ＳｉＯ2膜を表面側から５００ｎｍ研磨し、薄膜層Ｆのパターン輪郭の段差を無くすとともに、ＳｉＯ2膜の表面粗さＲａを２ｎｍとした。
【００７７】
以降は、実施例１と同様の手順で、接合体１０Ｃを得た。
【００７８】
得られた接合体１０Ｃについて、引きはがし試験を行なった結果、母材破壊が生じ、接合面での破壊は生じなかった。
【００７９】
また、同じ条件で作製した接合体１０Ｃについて、さらに温度１２０℃の高温保持試験を２０００時間行い、その後に同様の引きはがし試験を行なった場合も、同様の結果であった。
【００８０】
（比較例１）
本比較例では、特許文献１に開示された方法と同様の手法で、ＬｉＴａＯ3基板とシリコン基板との接合体を得た。
【００８１】
具体的には、まず、１５ｍｍ角に切り出した１ｍｍ厚のＬｉＴａＯ3基板を用意し、２０ｍｍ角に切り出した１ｍｍ厚のシリコン基板を用意するとともに、接着剤として用いる、フルオレン骨格を有するアクリレート樹脂（以下、単に樹脂と称する）として、新日鐵化学株式会社製のカルド型アクリレート樹脂（Ｖ−２５９ＰＡ）を用意した。当該樹脂は、粘度が７０ｃｐｓとなるように調製した。
【００８２】
ＬｉＴａＯ3基板とシリコン基板とを洗浄した後、シリコン基板の主面上に樹脂を滴下し、ＬｉＴａＯ3基板を重ねて加圧することにより貼り合わせを行った。得られた貼り合わせ体を、１００℃で１時間加熱することで樹脂を仮硬化させた後、さらに２００℃で１時間加熱することで、樹脂を硬化させ、接着体を得た。なお、接着剤層の厚さは０．２μｍであった。
【００８３】
図５は、得られた接着体についてレーザー干渉計により観察を行った結果を示す図である。図５に示す観察結果からは、接着剤層が鞍型形状に厚さ分布を持つことが確認される。すなわち、本比較例に係る手法で接着を行った場合には、接着剤層の厚みが不均一となることが確認された。
【００８４】
また、接着体を、高温保持試験に投入し、接合性を評価した。条件は、温度を１２０℃、試験時間を２００時間とした。
【００８５】
試験後の接合体を目視したところ、接合面に白濁が見出された。また、図６は、試験前後の接着体の断面についての観察像を示す図である。図６（ａ）は試験前、図６（ｂ）は試験後の像である。図６（ｂ）に示す像から、試験後の接着体の接着剤層にはく離が生じていることが確認された。
【００８６】
この結果は、特許文献１に係る方法で作製した接合体には、接合強度に経時劣化が生じることを指し示している。
【００８７】
（比較例２）
本比較例においては、特許文献２に開示された方法と同様の手法で、ガラス同士の接合体を得た。本比較例では、平板状部材として、いずれも直径３インチ、厚さ０．５ｍｍである２枚の石英ガラス基板を用意した。それぞれについて、接合面を表面粗さＲａが２ｎｍとなるまで研磨した。
【００８８】
２枚の石英ガラス基板を、濃度が５ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液に５分間浸漬した。
【００８９】
５分経過後、水酸化カリウム水溶液中において、石英ガラス基板の接合面を貼り合わせた。この仮貼り合わせ状態のものを、水酸化カリウム水溶液中から引き上げ、６５℃、０．６Ｍｐａの条件で１２時間保持することで、接合体を得た。
【００９０】
本接合体を保持温度および保持時間を複数に変えた条件で高温保持試験を行い、試験後の接合強度試験を行なった。
【００９１】
接合体の接合強度試験として、ブレードテストを実施した。本試験は、接合体の接合面端部にナイフエッジを挿入し、該端部からはく離が伸展した距離を測定することで接合強度を評価する手法である。はく離伸展距離が短いほど接合強度が強く、はく離伸展距離が長いほど接合強度が弱いと評価できる。
【００９２】
図７は、本比較例に係る接合体についてのブレードテストの結果を示す図である。図７に高温保持時間とはく離伸展距離の関係を示す。保持温度１２０℃の接合体は、保持時間１６０時間において、はく離伸展距離は１５．５ｍｍであったが、接合体のハンドリング時に簡単に基板がはがれてしまい、ほとんど接合強度を維持しておらず、完全にはく離した状態に至っていた。同様に保持時間１００℃の場合保持時間２４０時間、保持温度８０℃の場合保持時間４００時間で完全はく離に至った。この結果から、高温保持試験による保持時間が長くなるに従って次第に接合強度が低下し、最終的にははく離に至ること、試験温度が高くなるほど強度低下とはく離とが早く起きることが判る。係る結果は、本比較例に係る接合体は、上述の各実施例に係る接合体のような十分な接合強度を有していないことを示している。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】第１の実施の形態に係る方法にて作製される接合体１０Ａの構造を示す断面図である。
【図２】接合体１０Ａの作製方法について、その流れを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る方法にて作製される２種類の接合体の構造を示す図である。
【図４】接合体１０Ｂおよび接合体１０Ｃの作製方法について、その流れを示す図である。
【図５】比較例１に係る接着体についてレーザー干渉計により観察を行った結果を示す図である。
【図６】比較例１に係る接着体について、ＨＡＳＴ試験前後の接着体の断面についての観察像を示す図である。
【図７】比較例２に係る接合体についてのブレードテストの結果を示す図である。
【符号の説明】
【００９４】
１ 第１基材
２ 第２基材
３ 接合層
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 接合体
Ｆ 薄膜層
Ｓ 平板状部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの部材を接合する方法であって、
第１の部材の接合面上にＳｉＯ2薄膜を成長させるＳｉＯ2薄膜形成工程と、
前記ＳｉＯ2薄膜を酸溶液またはアルカリ溶液中に浸漬させる浸漬工程と、
前記酸溶液またはアルカリ溶液中で、ＳｉＯ2薄膜の表面に第２の基材を貼り合わせて貼り合わせ体を形成する貼り合わせ工程と、
前記貼り合わせ体を所定の温度および雰囲気圧力にて保持する保持工程と、
を備えることを特徴とする２つの部材の接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載の接合方法であって、
前記ＳｉＯ2薄膜が結晶性薄膜である、
ことを特徴とする２つの部材の接合方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の接合方法であって、
前記ＳｉＯ2薄膜が１０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚みに形成される、
ことを特徴とする２つの部材の接合方法。
【請求項４】
請求項３に記載の接合方法であって、
前記ＳｉＯ2薄膜が１００ｎｍ以上１μｍ以下の厚みに形成される、
ことを特徴とする２つの部材の接合方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の接合方法であって、
前記第１の部材の前記接合面上に金属薄膜層が形成されてなり、
前記ＳｉＯ2薄膜形成工程においては、前記金属薄膜層の上に前記ＳｉＯ2薄膜を形成する、
ことを特徴とする２つの部材の接合方法。
【請求項６】
請求項５に記載の接合方法であって、
前記金属薄膜層がパターニングされてなり、
前記ＳｉＯ2薄膜形成工程においては、前記金属薄膜層の非形成部分を含め前記第１の部材の前記接合面上に前記ＳｉＯ2薄膜を形成する、
ことを特徴とする２つの部材の接合方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の接合方法であって、
前記第１と第２の部材の少なくとも一方が平板状部材である、
ことを特徴とする２つの部材の接合方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の接合方法であって、
前記第１と第２の部材の少なくとも一方が、セラミックス単結晶基板、ガラス基板、あるいはシリコン単結晶基板のいずれかである、
ことを特徴とする２つの部材の接合方法。
【請求項９】
２つの部材が接合層によって接合された接合体であって、
前記接合層が第１の部材の接合面上に成長したＳｉＯ2薄膜であり、
第２の部材の接合面と前記ＳｉＯ2薄膜とが直接接合されてなる、
ことを特徴とする２つの部材の接合体。
【請求項１０】
請求項９に記載の接合体であって、
前記ＳｉＯ2薄膜が結晶性薄膜である、
ことを特徴とする接合体。
【請求項１１】
請求項９または請求項１０に記載の接合体であって、
前記ＳｉＯ2薄膜が１０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚みに形成されてなる、
ことを特徴とする接合体。
【請求項１２】
請求項１１に記載の接合体であって、
前記ＳｉＯ2薄膜が１００ｎｍ以上１μｍ以下の厚みに形成されてなる、
ことを特徴とする接合体。
【請求項１３】
請求項９ないし請求項１２のいずれかに記載の接合体であって、
前記第１の部材の前記一主面上に金属薄膜層が形成されてなり、
前記金属薄膜層の上に前記ＳｉＯ2薄膜が形成されてなる、
ことを特徴とする接合体。
【請求項１４】
請求項１３に記載の接合体であって、
前記金属薄膜層がパターニングされてなり、
前記金属薄膜層の非形成部分を含め前記第１の部材の前記一主面上に前記ＳｉＯ2薄膜が形成されてなる、
ことを特徴とする接合体。
【請求項１５】
請求項９ないし請求項１４のいずれかに記載の接合体であって、
前記第１と第２の部材の少なくとも一方が平板状部材である、
ことを特徴とする２つの部材の接合体。
【請求項１６】
請求項９ないし請求項１５のいずれかに記載の接合体であって、
前記第１と第２の部材の少なくとも一方が、セラミックス単結晶基板、ガラス基板、あるいはシリコン単結晶基板のいずれかである、
ことを特徴とする２つの部材の接合体。
【請求項１７】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の接合方法によって作製されたことを特徴とする、２つの部材の接合体。
【請求項１】
２つの部材を接合する方法であって、
第１の部材の接合面上にＳｉＯ2薄膜を成長させるＳｉＯ2薄膜形成工程と、
前記ＳｉＯ2薄膜を酸溶液またはアルカリ溶液中に浸漬させる浸漬工程と、
前記酸溶液またはアルカリ溶液中で、ＳｉＯ2薄膜の表面に第２の基材を貼り合わせて貼り合わせ体を形成する貼り合わせ工程と、
前記貼り合わせ体を所定の温度および雰囲気圧力にて保持する保持工程と、
を備えることを特徴とする２つの部材の接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載の接合方法であって、
前記ＳｉＯ2薄膜が結晶性薄膜である、
ことを特徴とする２つの部材の接合方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の接合方法であって、
前記ＳｉＯ2薄膜が１０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚みに形成される、
ことを特徴とする２つの部材の接合方法。
【請求項４】
請求項３に記載の接合方法であって、
前記ＳｉＯ2薄膜が１００ｎｍ以上１μｍ以下の厚みに形成される、
ことを特徴とする２つの部材の接合方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の接合方法であって、
前記第１の部材の前記接合面上に金属薄膜層が形成されてなり、
前記ＳｉＯ2薄膜形成工程においては、前記金属薄膜層の上に前記ＳｉＯ2薄膜を形成する、
ことを特徴とする２つの部材の接合方法。
【請求項６】
請求項５に記載の接合方法であって、
前記金属薄膜層がパターニングされてなり、
前記ＳｉＯ2薄膜形成工程においては、前記金属薄膜層の非形成部分を含め前記第１の部材の前記接合面上に前記ＳｉＯ2薄膜を形成する、
ことを特徴とする２つの部材の接合方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の接合方法であって、
前記第１と第２の部材の少なくとも一方が平板状部材である、
ことを特徴とする２つの部材の接合方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の接合方法であって、
前記第１と第２の部材の少なくとも一方が、セラミックス単結晶基板、ガラス基板、あるいはシリコン単結晶基板のいずれかである、
ことを特徴とする２つの部材の接合方法。
【請求項９】
２つの部材が接合層によって接合された接合体であって、
前記接合層が第１の部材の接合面上に成長したＳｉＯ2薄膜であり、
第２の部材の接合面と前記ＳｉＯ2薄膜とが直接接合されてなる、
ことを特徴とする２つの部材の接合体。
【請求項１０】
請求項９に記載の接合体であって、
前記ＳｉＯ2薄膜が結晶性薄膜である、
ことを特徴とする接合体。
【請求項１１】
請求項９または請求項１０に記載の接合体であって、
前記ＳｉＯ2薄膜が１０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚みに形成されてなる、
ことを特徴とする接合体。
【請求項１２】
請求項１１に記載の接合体であって、
前記ＳｉＯ2薄膜が１００ｎｍ以上１μｍ以下の厚みに形成されてなる、
ことを特徴とする接合体。
【請求項１３】
請求項９ないし請求項１２のいずれかに記載の接合体であって、
前記第１の部材の前記一主面上に金属薄膜層が形成されてなり、
前記金属薄膜層の上に前記ＳｉＯ2薄膜が形成されてなる、
ことを特徴とする接合体。
【請求項１４】
請求項１３に記載の接合体であって、
前記金属薄膜層がパターニングされてなり、
前記金属薄膜層の非形成部分を含め前記第１の部材の前記一主面上に前記ＳｉＯ2薄膜が形成されてなる、
ことを特徴とする接合体。
【請求項１５】
請求項９ないし請求項１４のいずれかに記載の接合体であって、
前記第１と第２の部材の少なくとも一方が平板状部材である、
ことを特徴とする２つの部材の接合体。
【請求項１６】
請求項９ないし請求項１５のいずれかに記載の接合体であって、
前記第１と第２の部材の少なくとも一方が、セラミックス単結晶基板、ガラス基板、あるいはシリコン単結晶基板のいずれかである、
ことを特徴とする２つの部材の接合体。
【請求項１７】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の接合方法によって作製されたことを特徴とする、２つの部材の接合体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−８９９９３（Ｐ２０１０−８９９９３Ａ）
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６１６０７（Ｐ２００８−２６１６０７）
【出願日】平成２０年１０月８日（２００８．１０．８）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月８日（２００８．１０．８）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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