JP4567015B2 - 薄膜基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、平面光波回路で使用される薄膜基板の製造方法に関する。

直接接合した基板の片側を加工することによって、薄膜を有する基板を製造する方法において、薄膜の厚さを測定することが重要である。ここで、直接接合とは、材料同士の原子レベルの共有結合による接合のことをいう（例えば、特許文献１を参照。）。

図４は、従来の薄膜基板の製造方法の工程の一部を示した概略図である。図４の（ａ），（ｂ）は、薄膜基板の製造方法の各工程における基板の概略断面図である。

従来の薄膜基板の製造方法では、図４（ａ）に示すように、２つの基板９１，９２を互いに直接接合した後、一方の基板９１の表面を研削又は研磨することによって、図４（ｂ）に示すように、薄膜化する。ここで、図４（ａ）に示す基板９１，９２のうち、薄膜化しない側の基板９２の厚さをＴａ、薄膜化する側の基板９１の厚さをＴｂとし、図４（ｂ）の薄膜化後の基板９１の厚さをＴｂ’とする。接合基板１００の厚さは、最初は図４（ａ）に示すように（Ｔａ＋Ｔｂ）の厚さであり、その後、研削又は研磨等の加工が行われて、最終的には図４（ｂ）に示すように、（Ｔａ＋Ｔｂ’）となる。そして、薄膜化した基板９１の厚さＴｂ’は、研削又は研磨等の加工の後の接合基板１００の厚さ（Ｔａ＋Ｔｂ’）と基板９２の厚さＴａの差分（（Ｔａ＋Ｔｂ’）−Ｔａ）として求めることができる。この薄膜化後の基板９１の厚さは、例えば、触針式の厚さ計で図ることができる。

また、上記以外の薄膜基板の製造方法でも、例えば、２つの基板のうち、一方の基板の表面に複数の凹部を設ける方法もある（例えば、特許文献２又は３を参照。）。まず、一方の基板の凹部を設けた表面と他方の基板の表面とを接合した後に一方の基板を薄膜化する。そして、凹部が出現するまで薄膜化して接合基板とする。出現した凹部を顕微鏡で観察して薄膜した基板の厚さを測ることができる。

特許３７５３２３６号公報 実開平３−６１３３１号公報 特開２００４−２２７４６号公報

しかし、図４に示す従来の製造方法では、薄膜化後の基板９１の厚さＴｂ’を間接的な方法で測定するため精度が著しく劣化することがある。例えば、基板９２の厚さＴａ＝５００μｍ、薄膜化後の基板９１の厚さＴｂ’を５μｍとすると、触針式の厚さ計で測定する場合、薄膜化後の基板９１の厚さの測定精度（±０．２μｍ）やその再現性（±０．２μｍ）によって、Ｔｂ’の精度は、例えば５±０．４μｍのように著しく劣化する。

また、２つの基板のうち一方の基板に凹部を設ける薄膜基板の製造方法では、研削又は研磨等の加工の際に発生する廃液が凹部に流入してしまい、正確な測定ができない恐れもある。また、薄膜化後の薄膜の厚さよりも深く凹部を形成する必要がある。そのため、大きさが小さく深さの深い凹部を形成した場合には、薄膜化する際の研磨時には研磨盤の表面が凹部に引掛かり凹部のエッジが欠け、研磨キズが増えることがある。

そこで、本発明では、基板表面の加工によって薄膜化された基板の厚さを正確に測定することが可能で、膜厚のばらつきが少ない高品質の薄膜基板の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、２つの基板のうち一方の基板に複数の凹部を設け、凹部を設けた基板の表面と他方の基板の表面とを直接接合するとともに、一方の基板を薄膜化した後、当該一方の基板の表面のうち凹部の位置する部分を破壊して空隙を出現させることにした。

具体的には、本発明に係る薄膜基板の製造方法は、２つの基板のうち一方の基板の片面の表面の一部に所定の深さの凹部を設ける凹部形成工程と、前記凹部形成工程において前記凹部を設けた前記一方の基板の表面を前記２つの基板のうちの他方の基板の片面と接合する基板接合工程と、前記基板接合工程において接合した前記一方の基板と前記他方の基板との接合面と反対側の前記一方の基板の表面を加工して前記凹部の深さの距離よりも厚い厚さにする表面加工工程と、前記表面加工工程において加工した前記一方の基板の表面のうち前記凹部の位置する部分を破壊し前記凹部を出現させる表面破壊工程と、前記表面加工工程において加工した前記一方の基板の表面と前記表面破壊工程において前記一方の基板の表面に出現した前記凹部に露出した前記他方の基板の表面との段差を測定する段差測定工程と、を備える。

上記の凹部形成工程、基板接合工程及び表面加工工程を行うことで、段差測定工程の際には、一方の基板の表面から当該表面に出現した凹部に露出した他方の基板の表面までの段差を測ることで直接に一方の基板の膜厚を測定することができる。また、表面破壊工程を備えることで、例えば、研削又は研磨による砥粒や廃液、エッチングによる廃液が凹部に付着することを防止した状態で凹部に他方の基板の表面を露出させることができる。そのため、段差測定工程の際には、砥粒や廃液による測定誤差への影響を小さくして、薄膜化した基板の厚さを正確に測定することが可能である。これにより、膜厚のばらつきが少ない高品質の薄膜基板を提供することが可能となる。

上記薄膜基板の製造方法において、前記段差測定工程後に、再度、前記一方の基板の表面を加工してさらに所定の厚さにする再表面加工工程をさらに備えることが望ましい。

これにより、測定結果に基づいて再度、表面を加工すれば、基板の厚さを所望の厚さにより近づけることができる。

また、上記薄膜基板の製造方法において、前記凹部形成工程において複数の前記凹部を設け、前記凹部の設けられた位置に応じて、前記表面破壊工程において出現させる前記凹部の位置を変えながら、前記表面加工工程から前記段差測定工程までを繰り返すことが望ましい。

これにより、表面破壊工程のたびに新たな凹部を出現させる位置を変えるため、新たに出現した他方の基板の表面までの段差により、前工程による砥粒や廃液による測定誤差への影響を小さくして、薄膜化した基板の厚さを正確に複数回の測定をすることが可能である。

また、上記薄膜基板の製造方法において、前記凹部形成工程において互いに深さの異なる複数の前記凹部を複数設け、前記表面加工工程から前記段差測定工程までを繰り返すことが望ましい。

これにより、破壊工程のたびに新たな凹部を出現させる位置を変えるため、新たに出現した他方の基板の表面までの段差により、前工程による砥粒や廃液による測定誤差への影響を小さくして、薄膜化した基板の厚さを正確に複数回の測定をすることが可能である。また、複数の凹部の深さをそれぞれ変えたため、一方の基板を荒削りする場合でも、一方の基板の厚さを逐一確かめながら表面加工することができる。

本発明の薄膜基板の製造方法は、基板表面の加工によって薄膜化された基板の厚さを正確に測定することが可能で、膜厚のばらつきが少ない高品質の薄膜基板を提供することが可能である。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。

（第一実施形態）
図１は、本実施形態に係る薄膜基板の製造方法の工程の一部を示した概略図である。図１（ａ）は、薄膜基板の製造方法の各工程における２つの基板のうち一方の基板の概略表面図で。また、図１（ｂ）〜（ｄ）は、薄膜基板の製造方法の各工程における、図１（ａ）のＡ−Ａ’面での概略断面図である。

（凹部形成工程）
図１の薄膜基板の製造方法では、まず、図１（ｂ）に示すように、２つの基板３１，３０のうち一方の基板３１の片面の表面の一部に所定の深さの凹部２０ａ〜２０ｄを設ける。２つの基板３１，３０としては、例えば、凹部２０ａ〜２０ｄを設ける側の基板３１としてＬｉＮｂＯ_３を、凹部２０ａ〜２０ｄが設けられた基板３１と接合する基板３０としてＬｉＴａＯ_３をそれぞれ適用することができる。また、基板３０としてＬｉＮｂ_ｘＴａ_１−ｘＯ_３や水晶も適用することができる。また、２つの基板３１，３０のうち一方の基板３１の厚さは、最終的に加工して薄膜化された基板３１の厚さの設計値より厚ければよい。また、他方の基板３０の厚さは、加工中や加工後の基板２０を支える基板として機能すればいずれの大きさであってもよいが、例えば、加工後の一方の基板３１の厚さの設計値の１００倍以上とすることができる。なお、図１では、基板３０の厚さはＴａで、基板３１の厚さはＴｂである。

凹部２０ａ〜２０ｄは、例えば、一方の基板の表面にパターニングして基板の表面の一部をドライエッチングで０．０１μｍ以上除去することで設けることができる。凹部２０ａ〜２０ｄの形状は、後述の段差測定工程において基板の厚さを測定できれば、いずれの形状でもよい。例えば、図１（ａ）に示すように、基板３１の表面の穴の形状をＬ字にして深さ方向に角柱の形状とすることができる。或いは、例えば、凹部全体の形状を円柱形状、角柱形状、円錐形状又は角錐形状とすることができる。また、凹部２０ａ〜２０ｄの深さは、最終的に薄膜化される基板の厚さの設計値に応じて所定の深さにする。

また、凹部（凹部２０ａ〜２０ｄに相当する。）は、少なくとも１つあればよく、後述の表面加工工程において支障がなければ、図１（ａ）に示すように、複数設けてもよい。また、凹部（凹部２０ａ〜２０ｄに相当する。）は、１つの場合でも複数の場合でも基板３１内のいずれの位置に配置してもよい。凹部（凹部２０ａ〜２０ｄに相当する。）を複数設ける場合には、基板３１内に分散するように配置すると、後述の段差測定工程において種々の位置で基板３１の厚さを測定できるため、基板３１厚さが均一かどうかを知得することができる。但し、凹部（凹部２０ａ〜２０ｄに相当する。）は、１つの場合でも複数の場合でも、例えば、製造後の薄膜基板を平面光波回路等の素子に使用する場合には、基板３１のうち素子として使用される部分を除いた領域に設ける必要がある。

（基板接合工程）
次に、図１（ｃ）に示すように、前述の凹部形成工程において凹部２０ａ〜２０ｄを設けた一方の基板３１の表面を２つの基板３１，３０のうちの他方の基板３０の片面と接合する。以下、２つの基板３１，３０を接合して形成された基板を接合基板５０と称する。接合は、直接接合が望ましく、場合によっては、２つの基板３１，３０の少なくとも一方の表面に接着剤を塗布して互いに接合することでもよい。但し、この場合、接着剤の厚さが均一で既知であることが必要である。そのため、２つの基板３１，３０の接合を直接接合とすると、基板３１の厚さ測定時の接合による測定誤差への影響が小さく、測定精度を向上させることができる。そのため、加工後の薄膜基板を高品質にすることができる。

（表面加工工程）
次に、図１（ｄ）に示すように、前述の基板接合工程において接合した一方の基板３１と他方の基板３０との接合面２３と反対側の一方の基板３１の表面２４を加工して厚さＴｂ’にする。接合基板５０のうちの一方の基板３１の表面２４を、例えば、研削、研磨、ドライエッチング若しくはウェットエッチング又はそれらの組合せにより加工して基板３１の厚さを薄くすることができる。基板３１の厚さは、最終的に薄膜化される基板３１の厚さの設計値に応じた厚さにする。但し、後述の表面破壊工程により出現する凹部２０ｃ，２０ｄの深さの距離よりも厚いことが必要である。

（表面破壊工程）
次に、図１（ｅ）に示すように、前述の表面加工工程において加工した一方の基板３１の表面２４のうち凹部２０ｃ，２０ｄの位置する部分を破壊し凹部２０ｃ，２０ｄを出現させる。接合基板５０のうちの一方の基板３１の表面２４を、例えば、基板３１の表面２４に超音波水流を当ることで破壊して凹部２０ｃ，２０ｄを出現させることができる。基板３１の表面２４のうち凹部２０ｃ，２０ｄの位置する部分２５，２６を超音波水流の気泡破壊による衝撃で剥離させることができるからである。また、接合基板５０外部の気圧と凹部２０ｃ，２０ｄによる空洞内の気圧との間に差を付けることにより基板３１の表面２４を破壊して凹部２０ｃ，２０ｄを出現させることができる。例えば、接合基板５０全体を加圧又は減圧したり、レーザを基板３１の表面２４のうち凹部２０ｃ，２０ｄの位置する部分２５，２６に当てて加熱することで実現できる。これらは、凹部２０ｃ，２０ｄの内部と接合基板５０の外部との圧力の差で部分２５，２６を破壊する方法である。このように、基板３１の表面２４を破壊して凹部２０ｃ，２０ｄが出現させることから、前述の表面加工工程において凹部２０ｃ，２０ｄを出現させる必要をなくすことができる。そのため、表面加工工程において従来のように凹部２０ｃ，２０ｄのエッジを欠いて接合基板５０に研磨キズを作ることを防止することができる。そのため、前述の凹部形成工程においては、基板３１の中央付近に凹部２０ｃ，２０ｄを形成することもでき、基板の厚さを評価するのに適した位置で、薄膜化後の基板３１の厚さの評価も可能となる。さらに、接合基板５０の表面に研磨キズを作ることがないことから、前述のように凹部形成工程において基板３１には複数の凹部２０ｃ，２０ｄを設けて薄膜化後の基板３１の厚さの面内分布を評価することも可能となる。

（段差測定工程）
次に、前述の表面加工工程において加工して厚さＴｂ’となった一方の基板３１の表面２４と前述の表面破壊工程において一方の基板３１の表面２４に出現した凹部２０ｃ，２０ｄに露出した他方の基板３０の表面４０ｃ，４０ｄとの段差を測定する。基板３１の表面２４と凹部２０ｃ，２０ｄに露出した基板３１の表面４０ｃ，４０ｄとの段差は、例えば、触針式段差計や光学式厚さ計で測定することができる。触針式段差計は、触針を用いて、設定した一定の低針圧で対象物をなぞることで、段差、表面粗さ、うねり等の測定を行う機器で、光学式厚さ計は、レーザを対象物に照射しながら対象物をなぞり、その反射光の反射角度や反射位置の変化で段差の測定を行う機器である。触針式段差計では、基板３１，３０同士の段差が３０μｍ以内では、±０．１μｍ以下での精度で測定することが可能である。また、前述の凹部形成工程において凹部２０ｃ，２０ｄの形状を、例えば円錐形状や角錐形状に形成すれば、加工した基板３１の表面２４に出現した凹部２０ｃ，２０ｄの入口の大きさと凹部２０ｃ，２０ｄに露出した基板３０の表面４０ｃ，４０ｄの大きさとから段差を測定することもできる。

以上説明したように、上記の凹部形成工程、基板接合工程及び表面加工工程を行うことで、一方の基板３１の表面２４から当該表面２４に出現した凹部２０ｃ，２０ｄに露出した他方の基板３０の表面４０ｃ，４０ｄまでの段差を測って直接に一方の基板３１の膜厚を測定することができる。また、表面破壊工程を備えることで、例えば、研削又は研磨による砥粒や廃液、エッチングによる廃液が凹部に付着することを防止した状態で凹部２０ｃ，２０ｄに他方の基板３０の表面４０ｃ，４０ｄを露出させることができる。そのため、段差測定工程の際には、砥粒や廃液による測定誤差への影響を小さくして、薄膜化した基板３１の厚さを正確に測定することが可能である。そのため、加工後の一方の基板３１の厚さＴｂ’を、例えば、２０μｍ以下とした場合であっても、基板３１の所望の厚さの精度を±０．１μｍ以内に抑えることができる。これにより、膜厚のばらつきが少ない高品質の薄膜基板を提供することが可能となる。

また、段差測定工程の後、再度、前記一方の基板３１の表面を加工してさらに所定の厚さにする再表面加工工程を行うこともできる。これにより、測定結果に基づいて再度、表面を加工すれば、基板３１の厚さを所望の厚さにより近づけることができる。

（第二実施形態）
図２は、本実施形態に係る薄膜基板の製造方法の工程の一部を示した概略図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、薄膜基板の製造方法の各工程における、基板の概略断面図である。また、図２では、前述の第一実施形態で説明した表面破壊工程以降にさらに追加して行う工程の一部を示している。

本実施形態では、前述の第一実施形態における凹部形成工程において複数の凹部２１ｃ，２１ｄ，２１ｅを設けている。図２では、同じ深さの凹部２１ｃ，２１ｄ，２１ｅを３つ設けた形態を示しているが、凹部（凹部２１ｃ，２１ｄ，２１ｅに相当する凹部。）は少なくとも２つ以上あればよい。

本実施形態では、図２（ａ）に示す接合基板５１の一方の基板３１の表面２４と凹部２１ｅに露出した他方の基板４０ｅの表面との段差を計測した後、さらに表面加工工程を行って図２（ｂ）に示すように厚さＴｂ’’にする。その後、表面破壊工程を行って、図２（ｃ）に示すように他の凹部２１ｄを一方の基板３１の表面２４に出現させる。そして、段差測定工程を行って、一方の基板３１の表面２４と図２（ｃ）で出現した凹部２１ｄに露出した他方の基板３０の表面４０ｄとの段差を測定する。つまり、本実施形態では、凹部２１ｃ，２１ｄ，２１ｅの設けられた位置に応じて、前述の表面破壊工程において出現させる凹部の位置を凹部２１ｅから凹部２１ｄへと変えながら、前述の表面加工工程から段差測定工程までを繰り返す。なお、表面加工工程、表面破壊工程及び段差測定工程の各方法については、第一実施形態と同様なので説明は省略する。

これにより、表面破壊工程のたびに新たな凹部（凹部２１ｅ又は凹部２１ｄ）を出現させる位置を変えるため、新たに出現した他方の基板３０の表面（表面４０ｅ又は表面４０ｄ）までの段差により、前工程による砥粒や廃液４１による測定誤差への影響を小さくして、薄膜化した基板３１の厚さを正確に複数回の測定することが可能である。特に、凹部形成工程において複数の凹部２１ｃ，２１ｄ，２１ｅの深さを同じ又は略同じとすれば、段差測定工程を終えた後に表面加工工程において表面加工を少しづつ行ってすぐに表面破壊工程において他の凹部（凹部２１ｅから凹部２１ｄへ）を出現させることができるため、表面加工工程において基板３１の厚さを微妙に調節することができる。

さらに、凹部形成工程においてより複数の凹部を分散して設け、表面破壊工程の際に、複数設けた凹部のうち一部の複数の凹部を分散して出現させてもよい。これにより、基板表面が均一かどうかを知得しながら基板の微調整を行うことができるため、膜厚のばらつきが少ないより高品質の薄膜基板を提供することが可能である。

（第三実施形態）
図３は、本実施形態に係る薄膜基板の製造方法の工程の一部を示した概略図である。図３（ａ）〜（ｄ）は、薄膜基板の製造方法の各工程における、基板の概略断面図である。また、図３では、前述の第一実施形態で説明した表面破壊工程以降にさらに追加して行う工程の一部を示している。

本実施形態では、前述の第一実施形態における凹部形成工程において互いに深さの異なる複数の凹部２２ｃ，２２ｄ，２２ｅを設けている。図３では、互いに深さの異なる３つの凹部２２ｃ，２２ｄ，２２ｅを設けた形態を示しているが、互いに深さの異なる凹部（凹部２２ｃ，２２ｄ，２２ｅに相当する凹部。）が少なくとも２つ以上あればよい。

本実施形態では、図３（ａ）に示す接合基板５２の一方の基板３１の表面２４と凹部２２ｅに露出した他方の基板３０の表面４０ｅとの段差を測定した後、さらに表面加工工程を行って図３（ｂ）に示すように厚さＴｂ’’にする。その後、表面破壊工程を行って、図３（ｃ）に示すように他の凹部２２ｄを一方の基板３１の表面２４に出現させる。そして、段差測定工程を行って、一方の基板３１の表面２４と図３（ｃ）で出現した凹部２２ｄに露出した他方の基板３０の表面４０ｄとの段差を測定する。つまり、本実施形態では、表面加工工程から段差測定工程までを繰り返す。なお、表面加工工程、表面破壊工程及び段差測定工程の各方法については、第一実施形態と同様なので説明は省略する。

これにより、破壊工程のたびに新たな凹部（凹部２２ｅ又は凹部２２ｄ）を出現させる位置を変えるため、新たに出現した他方の基板３０の表面（表面４０ｅ又は表面４０ｄ）までの段差により、前工程による砥粒や廃液４１による測定誤差への影響を小さくして、薄膜化した基板３１の厚さを正確に複数回の測定することが可能である。また、複数の凹部２２ｃ，２２ｄ，２２ｅの深さをそれぞれ変えたため、一方の基板３１を荒削りする場合でも、一方の基板３１の表面２４の厚さを逐一確かめながら表面加工することができる。

さらに、凹部形成工程においてより複数の凹部を分散して設け、表面破壊工程の際に、複数設けた凹部のうち一部の複数の凹部を分散して出現させてもよい。これにより、基板表面が均一かどうかを知得しながら基板の微調整を行うことができるため、膜厚のばらつきが少ないより高品質の薄膜基板を提供することが可能である。

本発明の薄膜基板の製造方法は、平面光波回路における薄膜基板を製造する方法として利用することができる。

一実施形態に係る薄膜基板の製造方法の工程の一部を示した概略図である。 一実施形態に係る薄膜基板の製造方法の工程の一部を示した概略図である。 一実施形態に係る薄膜基板の製造方法の工程の一部を示した概略図である。 従来の薄膜基板の製造方法の工程の一部を示した概略図である。

符号の説明

２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ：凹部
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ：凹部
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ：凹部
２３：接合面
２４：表面
２５，２６：部分
３０，３１：基板
４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ：表面
４１：砥粒や廃液
５０，５１，５２，１００：接合基板
９０，９１：基板

Claims (4)

1. ２つの基板のうち一方の基板の片面の表面の一部に所定の深さの凹部を設ける凹部形成工程と、
   前記凹部形成工程において前記凹部を設けた前記一方の基板の表面を前記２つの基板のうちの他方の基板の片面と接合する基板接合工程と、
   前記基板接合工程において接合した前記一方の基板と前記他方の基板との接合面と反対側の前記一方の基板の表面を加工して前記凹部の深さの距離よりも厚い厚さにする表面加工工程と、
   前記表面加工工程において加工した前記一方の基板の表面のうち前記凹部の位置する部分を破壊し前記凹部を出現させる表面破壊工程と、
   前記表面加工工程において加工した前記一方の基板の表面と前記表面破壊工程において前記一方の基板の表面に出現した前記凹部に露出した前記他方の基板の表面との段差を測定する段差測定工程と、
   を備える薄膜基板の製造方法。
2. 前記段差測定工程後に、再度、前記一方の基板の表面を加工してさらに所定の厚さにする再表面加工工程をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の薄膜基板の製造方法。
3. 前記凹部形成工程において複数の前記凹部を設け、
   前記凹部の設けられた位置に応じて、前記表面破壊工程において出現させる前記凹部の位置を変えながら、前記表面加工工程から前記段差測定工程までを繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の薄膜基板の製造方法。
4. 前記凹部形成工程において互いに深さの異なる複数の前記凹部を複数設け、
   前記表面加工工程から前記段差測定工程までを繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の薄膜基板の製造方法。

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