2021 Fiscal Year Annual Research Report
高光透過率で屈折率調整が可能な接合界面を有する完全無機の室温接合技術の開発
| Project/Area Number |
20H02612
|
|---|
| Research Institution | Tohoku University |
|---|
Principal Investigator |
島津 武仁 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 教授 (50206182)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | 原子拡散接合法 / 室温接合 / 光透過率 / 接合強度 / 耐光性 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
令和2年度に引き続き，下地酸化膜を形成したウエハを，膜厚1 nm以下の金属薄膜を用いて真空中の原子拡散接合で実施した．令和2年度の結果から，IAD法で形成したSiO2下地膜を形成した石英ウエハに焦点を絞り，Ti，Zr，Nb，Hf，Al，Siを接合金属膜に用いた．接合界面の表面自由エネルギーγ（ブレード法により評価）の膜厚依存性を，熱処理温度の400℃までの範囲で実施した．また，これらの薄膜の接合界面における400～700 nmの波長範囲の光透過率・吸収率を評価し，光学特性の変化から，酸化の促進度合いを評価した．更に，TEMによる構造解析，ならびに，代表的なHfおよびAlについてはEELSによる解析を行った．
その結果，下地SiO2膜からの乖離酸素により，これらの接合金属膜が酸化膜として接合界面に形成され，100％の光透過率（金属による光吸収の無い透過率）と2 J/m2を超える大きなγが得られる機構を解明した．特に，AlおよびSiを用いた接合では，膜厚を0.5 nm程度に設定することで，高バンドギャップを有するAl2O3およびSiO2のアモルファス膜による接合界面の形成に成功し，高輝度光に対する優れた耐光性が期待される．
最終年度には，高輝度光に対する耐光性に関する議論を進展させ，接合する光学ウエハの屈折率に合わせて，下地酸化膜および接合金属の種類を選択することで，完全透明で耐光性の優れた接合界面を有する完全無機の低温接合技術の提案を行う．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度（Ｒ２年度）に，早い段階で下地膜をIAD-SiO2膜に絞ることができたこと，また，当初予定のTi，Zr，Nb，Alの他に，Hf，Siについても予備実験を実施できたことで，R３年度の研究を円滑に進めることができた．
Ｒ３年度は，接合界面の表面自由エネルギーγと光学特性の，膜厚および熱処理温度依存性の評価を詳細に実施し，TEMによる構造解析を早めに行うことができた．代表的な結果であるHfおよびAlについて，EELSによる解析も行うことで，接合金属膜が下地SiO2膜からの乖離酸素と結合して酸化膜となり，接合界面に形成されていることを確実に示すことができた点は良かったと考えている．これにより，100％の光透過率（金属による光吸収の無い透過率）と2 J/m2を超える大きなγが得られる機構を解明できた．
また，特に，AlおよびSiを用いた接合でも膜厚を0.5 nm程度に設定することで，Al2O3およびSiO2のアモルファス膜による接合界面の形成に成功した．これらの酸化膜は高バンドギャップを有することから，高輝度光に対する優れた耐光性が期待できる魅力的な材料である．そのため，最終年度には，高輝度光に対する耐光性に関する議論も進展できるようになった．
これにより，接合する光学ウエハの屈折率に合わせて下地酸化膜および接合金属の種類を選択することで，完全透明だけでなく，耐光性にも優れた接合界面を有する完全無機の低温接合技術の提案を行うことを目指すことができるようになった．
|
| Strategy for Future Research Activity |
令和２～３年度の結果を元に接合条件を最適化し，接合強度（接合界面の表面自由エネルギー）が1.5 J/m2以上，光吸収率1％以下の接合界面の実現を目指す．引き続き，下地膜をIAD-SiO2膜に絞りながら，3d遷移金属のTi，Zr，Nb，Hf薄膜を用いた場合と，共有結合性が大きな酸化物を形成するAl，Si膜を用いた場合に別けて議論を進める．
特に，AlおよびSiを用いた接合では，高バンドギャップを有するAl2O3およびSiO2のアモルファス膜による接合界面の形成に成功したため，高輝度光に対する優れた耐光性が期待されることから，その議論を進展させる．既に，パルス幅400 psのYAGレーザを用いたレーザ損傷耐性試験を開始している．
これにより，接合する光学ウエハの屈折率に合わせて，下地酸化膜および接合金属の種類を選択することで，完全透明だけでなく，耐光性にも優れた接合界面を有する完全無機の低温接合技術の提案に結び付けたい．
|
