JP6176538B2 - 室温でのガラス対ガラス、ガラス対プラスチックおよびガラス対セラミック／半導体接合 - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、一般に、透明基板の接合の分野、特に、中間熱吸収層で第１のレーザ波長透明基板を第２の基板に室温でレーザ接合するための方法に関する。

生物学的スライド用途および微小流体用途、ならびに他の用途向けの、ガラス基板対ガラス基板、および、透明基板と不透明基板との他の組合せの接合には典型的に、接着剤を使用しない場合、基板境界にわたって材料を拡散接合するために基板を加熱する必要がある。現在実施されている接合の様々な例としては、融着、ナトリウムを多く含むガラス対半導体の陽極接合、および接着剤接合である。

ガラス対ガラスの融着は、磨きガラスまたは低粗度ガラスの表面に効果的である。強力で、気泡のない接合部を得るためには典型的に、表面仕上げは、ＲＡがおよそ数オングストロームであるべきである。この方法は一般に、２つのガラス基板を互い接触させて配置するステップと、次いで、圧力および熱を加えるステップとを含む。圧力は、上部ガラス基板の重量から、ガラスの上の負荷位置に及び得る。重りがガラスにくっつかないように、特殊材料を使用しなければならない。バルク基板は通常、少なくともガラスの第１の転移温度（軟化温度）まで加熱される。実際には、ガラス表面は共に融解し、１つになる。この方法は、クリーンルーム環境で一般に見られる環境粒子に対してあまり着実ではない。例えば５０ｎｍの直径の粒子により、ガラスはその特定の領域において接合せず、ニュートンリングの存在によって明らかなガラス気泡が起こる。

この方法は、カルシウムなどのイオンで表面処理し、フッ化水素酸で表面を活性化することによって助けることができる。そのような処理は、接合温度を下げる傾向があるが、汚染問題を悪化させる。微粒子は、汚染粒子が邪魔にならないように凹んだ所に入り、２つの表面を離して保持しないようにガラスを変形させることができないため、汚染がより厄介となる。

融着は、低い歩留まりを引き起こす２つの対立する問題を有する。ガラス表面は、低温で気泡を作らないように絶対に洗浄しなければならず、より高い温度を用いる場合には、空隙はあまり問題にならないが、ガラスの表面が歪み、それを再び光学的に明澄にするために再処理しなければならない。より高い温度ではまた、ガラスがかすみ、または黄色っぽくなり得る。

多少の例外はあるが、一般に、陽極接合方法でガラス対ガラスを接合することはできない。この方法は通常、ガラスをシリコンに接合するためのものである。陽極接合は通常、ガラスの成分のうちの１つとしてナトリウムを含有するガラス基板を使用して行われる。温度は一般に、およそ摂氏４００度まで上げられる。次いで、ガラス−シリコンアセンブリの境界にわたってナトリウム原子を運動させるために、電位差が印加される。この方法では、境界にわたってナトリウム−酸素結合が生成する。この方法では通常、ガラスの表面は透明かつ滑らかなままである。しかしながら、接合工程がチャンネルの近くで起こり、接合界面層の近くのガラスの表面からナトリウム原子が空乏化することによって、ガラスはナトリウムの多い状態のままであると考えられている。次いで、この表面はプラスに帯電する。ガラスの表面上のそのような電荷は、チップを使用する間、後工程を容易に妨げ得る。

ガラスをガラスに接合するように特別に設計された接着剤がある。接着剤は塗布しやすいが、気泡のない継目を作るのは非常に困難である。また、接合ラインは完全であるが、接合されている表面間から絞り出て、隣接するチャンネルへいかないように接着剤をパターン化するのが非常に難しい。接着剤は、後工程に有害になり得る。特定の接着剤組成物は、構成要素がそれを収容するように作られている、生物を殺し得る。

上記の接合方法の各々は、化学的に不活性な接合方法を提供しない。各場合において、接合ラインは、高濃度の酸または塩基に対して強くない。高濃度の酸または塩基は、バルク表面の速度よりはるかに速い速度でエッチングする傾向がある。エッチング速度が速いほど、微小流体の場合には、チャンネルアセンブリ内の液体の流れを洗浄または害し難い小さい割れ目を引き起こし得る。

上記の各々は典型的に熱を必要とするため、各材料の熱膨張係数を一致させなければならない。各材料の熱膨張係数を一致させなければ、材料が室温に戻った際に、接合した構成要素が反り、かつ／または破損する。使用温度が接合温度と異なる場合には、接着剤の継目は剪断または剥離に失敗する。接着剤の剪断強度は通常低い。

したがって、接合時間が数時間の陽極接合または熱拡散接合と対照的に、接合時間が数分のガラス対ガラスまたは他の基板の接合方法を提供することが望ましい。さらに、直径１００ｎｍの粒子を介して接合することができる、汚れに対する耐性を有する接合方法を提供することが望ましい。また、接合方法は、選択可能な幅の接合ライン幅１０〜１００μｍを提供することが望ましく、接合と非接合との識別は１μｍである。さらに、接合方法が不活性で、ＨＦ／硫黄系／ＫＯＨ中で過剰にエッチング（拡散接合の場合のように）せず、陽極接合の場合のようにガラスの表面上の電荷を変化させないことが望ましい。また、接合ラインが事実上透明であり、接合方法により、導体および不導体と同様に接合ラインを同じ表面上の接合構造内に構成可能であることが望ましい。最後に、酵母菌、炭疽菌または他の生体物質などの生体培養物を害することなく、生体培養物を載せた流体デバイス上で接合を達成可能であることが望ましい。

本明細書で開示する実施形態は、室温基板接合のための方法を提供し、その方法において、レーザ波長に対して実質的に透明な第１の基板を選択する。次いで、第１の基板と界面で合わせるための第２の基板を選択する。界面で透過指数変化を起こし、第１の基板および第２の基板を界面で合わせる。次いで、界面に実質的に集束する透明波長のレーザを第１の基板に照射し、レーザによって供給されたエネルギーから、界面における局所的な高温を生成する。界面にすぐ隣接する第１の基板および第２の基板を融合させるために、界面にわたる拡散によって基板を軟化させる。

例示的な実施形態では、透過率変化は、界面における１つの基板の表面上に遮断熱吸収コーティングを堆積させることによって、達成してもよい。代替の実施形態では、透過率変化は、基板自体の透過率を変えることによって達成してもよい。

室温レーザ接合のための装置の例示的な実施形態は、ベースに取り付けられたｘ軸移動ステージと、ｘ軸移動ステージに取り付けられたｙ軸移動ステージとを組み込む。ｙ軸移動ステージ上には、被加工物としての相互の界面と共に少なくとも２つの基板を位置合わせおよび固定するように構成された基板位置合わせ固定具が取り付けられる。ベースには、ガントリが取り付けられ、位置合わせ固定具内の被加工物上にレーザが集束するように、位置合わせ光学部品を支持する。集束したレーザが被加工物上を移動するように、制御部がｘ軸移動ステージおよびｙ軸移動ステージを移動させる。

説明してきた特徴、機能および利点は、本開示の様々な実施形態において独立して達成することができ、または、さらに他の実施形態において組み合わせてもよく、そのさらなる詳細は以下の説明および図面を参照することができる。

図１は、一実施形態の概略絵画図である。 図２は、室温基板接合のための方法のフローチャートである。 図３Ａは、合わせた基板を保持し、レーザ経路を案内するための固定および移動システムの絵画図である。 図３Ｂは、基板位置合わせ固定具の詳細図である。 図３Ｃは、図３Ｂの位置合わせ固定具の分解図である。 図３Ｄは、基板保持枠の詳細図である。 図３Ｅは、基板保持枠の分解図である。 図４は、室温基板接合のためのプロセス制御ステップのフローチャートである。 図５は、基板の接合と一体的にリードを加工するための例示的な実施形態のフローチャートである。

本明細書で開示する実施形態は、ガラス対ガラスなどの同種基板、ならびに、ガラス対ガラス（熱膨張係数（ＣＴＥ）などの材料特性が異なる）、ガラス対プラスチック、ガラス対シリコン、およびガラス対セラミックなどの異種基板を接合するための方法および装置を提供する。図１を参照すると、基板１０、１２の接合は、基板のうちの少なくとも１つ（例えば図示した基板１０）がそれに対して透明であるような波長を有するレーザ１４を使用して達成する。層間の界面１５が、透過指数すなわち光透過率を変化させ、その結果、界面でレーザエネルギーが吸収されて局所的に加熱され、接合部を生成する。第１の実施形態では、レーザ波長を通さない、または遮断し、かつ基板への拡散に対して親和性を有する熱吸収層１６を、基板のうちの少なくとも１つ（例えば図示した基板１２）の合わせ面１８上に堆積する。本明細書におけるガラス対ガラス、およびガラス対他の基板の接合の例示的な実施形態における熱吸収層は、金属、半導体またはセラミックの材料であってもよい。しかしながら、代替の実施形態では、適切な波長吸収および拡散親和性の特性を有する他の材料を使用してもよい。熱吸収層の厚さは、１０Åと薄くてもよく、また、後でより詳細に説明するように、表面の粗さを補償し、工程のタイミングおよび温度を制御するのに望ましく厚くてもよい。

界面における透過率の所望の変化はまた、不透明な（レーザ波長の透過率が低い）１つの基板、または透過指数が１つ目の基板と一致しない液膜を有する基板材料を使用することによって達成することができる。

接合方法は、ガラス対ガラス接合の第１の例について、図１に開示する要素に関して図２に示すように達成し、使用しているレーザ１４の波長に対して一般に透明な任意の種類のガラス基板１０を、第１の基板として選択する、２０２。第１の実施形態の例では、接合すべき第１の基板１０または第２の基板１２のいずれかに施した熱吸収層１６を使用して、界面１５で透過率変化を生成する、２０４。熱吸収層は、微小流体チャンネルなどの基板内の特徴を囲む連続ストリップまたは分割ストリップであってもよい。次いで、２つの基板は、熱吸収層が２つの基板間の界面にあるように配置し、互いに接触させて配置する、２０６。表面は、非常によく研磨してもよいし、それほど研磨しなくてもよい。熱吸収層の厚さは、表面の粗さを補償するために厚くすることができる。次いで、組み合わせた基板は、後でより詳細に説明するが、使用しているレーザエネルギーの波長に対して透明である固定具で締め付ける、２０８。次いで、固定具内の組み合わせた基板の界面にレーザをほぼ集束させる、２１０。次いで、接合している基板にレーザエネルギーを加える、２１２。

レーザエネルギーは、第１の基板１２に浸透し、熱吸収層に入射する、２１４。熱吸収層は、プラズマが形成され、熱吸収層の温度が拡散温度に上がるまで、エネルギーを吸収し続ける、２１６。しかしながら、熱吸収層がガラスに拡散する、２２０まで、吸収層が拡散する前に、熱吸収層までの表面に近接したガラス表面が軟化する、２１８。熱吸収層の材料がガラスに拡散すると、レーザエネルギーに対して透明になる、２２２。一旦熱吸収層がプラズマ崩壊を拡散すると、軟化したガラスが融合し、永久接合した継目になる、２２４。確実にガラスが軟化し、隣接するガラスに接合するように、ガラスの第１の転移温度より高い温度で熱吸収層が拡散すべきであることに留意することが重要である。この手法により、最も強固で、微粒子に影響を受けない接合継目ができる。

ガラス対ガラス接合についてのこの第１の例では、バルク材料が室温で残り、かつ熱吸収層、および、接合ライン自体にすぐ隣接する基板の材料だけが、熱吸収層がレーザによってガラスに拡散される温度まで加熱されるように、全工程を行う。単一の接合ラインの幅は、約０．００１μｍ〜１００μｍ、またはそれを超えて変化することができ、接合ラインの深さは、構造の各構成要素へ名目上５００ｎｍである。しかしながら、接合ラインの深さは、１マイクロメートルの数分の１から数マイクロメートルまで変化することができる。

開示する方法は、金属、セラミックおよび半導体の親和性を利用して高温でガラスに拡散させ、可視スペクトルにおいて、およびレーザ光波長に対しての両方に事実上接合ラインを透明にする。したがって、工程は自動調整式である。吸収層がガラスに完全に拡散すれば、それ以上加熱することなくレーザエネルギーがガラスを通過し、反応は止まる。したがって、ガラスはレーザによって決して除去も過剰加熱もされない。

レーザが通過する基板の材料透明度は、レーザエネルギー波長の波長で少なくとも７０パーセントであるべきである。これにより、十分な出力がガラスを通過して熱吸収層の深さに浸透する。レーザ光が吸収されると、ガラスが割れて、吸収層が拡散せず、その結果、接合が不完全、または全く接合しない場合がある。レーザ透過性は、レーザが通過する層には望ましいが、積み重ねられた第２の基板を第１の基板に効果的に接合するためには必要がない場合がある。

レーザ接合処理中に、合わせた基板を支持するための例示的な固定具を、図３Ａ〜図３Ｄに示す。位置決めシステム３０は、ベース３３上に取り付けられたｘ軸移動ステージ３２と、ｘ軸取付ステージに取り付けられたｙ軸移動ステージ３４とを組み込む。図示した実施形態では、基板位置合わせ固定具３６は、ｙ軸移動ステージ上に取り付けられる。しかしながら、代替の実施形態では、移動ステージは逆にして垂直に積み重ね、位置合わせ固定具はｘ軸ステージ上に取り付けられてもよい。各移動ステージは、ねじ駆動部４０または同様の移動機構と関連する駆動モータ３８を有する。カバー４２は、作業者の安全のために、移動ステージの動作要素を覆う。ガントリ４４は、レーザ１４の位置合わせ光学部品４６と、最終集束光学部品４８と、カメラ５０と、接合動作を監視および制御するのに必要な他の計測システムとを支持する。図示した実施形態では、電力計５２は、基板接合のためにレーザ光学部品の下で位置合わせ固定具が動く前に、レーザ出力を測定および／または較正するためにレーザ光学トレインの下に位置付けされるように、ｘ軸移動ステージに取り付けられる。図示した実施形態では、位置合わせ固定具に対して光学システムおよび測定システムを垂直に位置付けするために、ｚ軸移動ステージ５４が設けられる。被加工物上でレーザを移動させるために、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の移動ステージの移動に対してコンピュータ制御部５５がプログラム可能である。光線スプリッタを使用して、複数の位置決めシステムに光学トレインを集束させることによって、個々の位置決めシステム内の複数の基板被加工物に照射するのに、単一のレーザを使用してもよい。また、単独で、または大型の移動Ｘ−Ｙ位置決めシステムと共に、固定レンズを、Ｘ−ＹスキャナおよびＺオートフォーカスを備えたｆ−シータレンズに置き換えることができる。

位置合わせ固定具３６の詳細を図３Ｂおよび図３Ｃに示す。取付構造５６は、ｙ軸ステージに位置合わせ固定具を取り付けるために設けられる。図示した実施形態では、取付構造は、取付板５８と、スペーサ６０と、係合支持板６２とから製造される。垂直移動係合スライダ６４は、ブッシング６７内に受けられた移動ロッド６６によって支持される。係合スライダ６４と係合支持板６２との中間に位置付けされた空気式膨張装置６８は、後で説明するように係合スライダを垂直方向に調整する。被加工物保持枠７０は、図３Ｃに関して詳細に説明するように、合わせた基板１０、１２からなる被加工物７１を支持する。光学平面７４を保持枠の上に位置付けするように受けるために、ライザ７２は係合支持板６２から上向きに延在する。スペーサ７８で取り付けられた固定板７６は、光学平面をライザに固定する。光学平面はレーザに対して透明であり、溶融シリカまたは同様の材料であってもよい。

空気式膨張装置６８が収縮することにより、係合スライダ６４が下がり、保持枠７０が係合スライダ上の位置に挿入される。受枠７９は、保持枠を位置付けする。空気式膨張装置が膨張することにより、係合スライダおよび保持枠が上向きに付勢され、光学平面７４に対して基板１０が圧縮される。

図３Ｄおよび図３Ｅに示すような保持枠７０は、ベース８０と、クランプ構造８２と、基板キャリア８４とを含む。クランプ構造は、横方向クランプ８８および縦方向クランプ９０を担持する筐体８６を組み込む。基板キャリア８４は、基板１０、１２を密接して受けるように寸法付けされたレリーフ９２において、レリーフ９２に一体化した、または挿入されたコンプライアント面９４上に下部基板を支持するレリーフ９２を有する。空気式膨張装置が膨張した後、光学平面に対して基板を弾性的に締め付けるために、コンプライアント面としてシリコンゴムまたは同様の材料を使用してもよい。図示した実施形態の横方向クランプ８８は、レリーフ９２に隣接する基板キャリア内の長孔開口部９８を貫通して延在する２つの垂直アーム９６を組み込む。横方向クランプは、基板をレリーフに挿入するためのボタン１００を押圧することによってアーム９６を外側へ変位させるように、負荷をかけられたばねである。ボタン１００を離すと、アームは基板の側面と係合し、長孔開口部の反対側のレリーフの壁に対して基板を付勢する。同様に、縦方向クランプ９０は、レリーフ９２に隣接する基板キャリア内の長孔開口部１０４を貫通して延在する単一のアーム１０２を有する。縦方向クランプは、基板をレリーフに挿入するためのボタン１０６を押圧することによってアーム１０２を外側へ変位させるように、負荷をかけられたばねである。ボタン１０６を離すと、アームは基板の端部と係合し、長孔開口部の反対側のレリーフの壁に対して基板を付勢する。基板は、レリーフの２つの垂直面に対して確実に位置付けされる。

ｘ軸移動ステージ４２およびｙ軸移動ステージ４４の上に取り付けられた位置合わせ固定具３６により、熱吸収層を露光するために、最終光学部品から放射されたレーザ光線下で基板被加工物７１を移動させることができる。合わせた基板に入射するレーザ光線が、図２にステップ２１３として示す、微小流体チャンネルなどの基板中の特徴に追従することができるように、保持具に取り付けられた移動ステージに対し、トラッキング経路を制御部５５にプログラムしてもよい。説明する実施形態では基板保持固定具を移動させているが、代替の実施形態では、静止保持固定具を使用し、光学手段によってレーザまたはレーザ光線の動きを移動させてもよい。

レーザエネルギーにより固定具が燃えたり、またはレーザエネルギーが反射して、構成要素のいくつかの他の態様を破損したりしないように、接合固定具内にレーザ光トラップが必要である。開示する実施形態では、シリコンゴムのコンプライアント面９４が、レーザを吸収し、燃えない。Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）などのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）層を、代替的に使用し得るであろう。または、Ｔｈｏｒｌａｂｓ、４３５ Ｒｏｕｔｅ ２０６ Ｎｏｒｔｈ Ｎｅｗｔｏｎ、ＮＪ ０７８６０によって提示されたものなどの、ガラスチップの下の物理的に明らかな光トラップを固定具に組み込んでもよい。

方法についてのさらなる実施例を以下に示す。

実施例１ 熱膨張係数（ＴＣＥ）が異なる基板：
従来の接合工程は典型的には高温で起こり、ＴＣＥが大きく異なると、接合したアセンブリが冷えた時に深刻な温度ひずみが生じる。しかしながら、本明細書で開示するレーザ接合方法を用いると、ＴＣＥが異なる材料をその温度で接合することができる。接合されている材料のバルク温度は、使用温度に設定することができるため、ＴＣＥは依然として異なっているものの、基板材料は温度変化しないため、基板材料に応力を加えたり、または歪めたりしない。

例えば、ＴＣＥが７ｐｐｍ／℃だけ異なる、直径１５０ｍｍの２つの基板を１００℃の温度で融着する場合。上部基板から底部基板までの長さの差分変化は０．０７％の工学ひずみを引き起こし、これは底部基板内の引張応力５４．６Ｍｐａ（７．９２ｋｐｓｉ）になる。例えば、たいていのガラスは、安定化されていない場合には、１〜２ｋｐｓｉの張力で壊れる。

７ｐｐｍ／℃のガラスをシリコンに陽極接合する場合には、ガラスの接合温度を４００℃にすることが一般的である。そのような温度は、２００Ｍｐａを超える引張応力を引き起こす。これにより、ガラスは砕ける。しかしながら、説明する方法を用いる室温レーザ接合基板スタックは、そのような大きい温度変化に決してさらされないため、接合工程中に砕けない。接合後、基板は、ウェハの形態であってもよいが、より小さい構成要素に分割する。長さを短くすると、ウェハの長さと比較して、構成要素の長さが短くなることによって、応力が減少する。すなわち、長さ１０ｍｍの構成要素が１００℃になると、５．５Ｍｐａ（０．８ｋｐｉ）の応力を受ける。ガラスは、この応力に非常に容易に耐える。

実施例２ 同様のレーザ光波長での異なる光透過率
ガラス包装をシリコンチップに接合することは普通に行われている。この方法を行う場合には、材料それぞれのＣＴＥを一致させ、高温接合工程中に移動することができるナトリウム原子を含むガラス材料を使用することが通常必要である。そのような特性を示す市販のガラス材料はあるが、バイアを導入するようなステップ中にそれらのガラス材料を加工するのは困難である。Ｆｏｒｔｕｒａｎなどの感光性ガラスセラミック材料は構成しやすいが、ＣＴＥが１０ｐｐｍ／℃であり、ナトリウムイオンを含まない。これらの２つの特性から、シリコンに陽極接合することはほぼ不可能になる。感光性ガラスセラミック材料を融着させることはできるが、５００℃まで加熱する必要がある。そのように高温へ変化すると、ガラス−シリコンアセンブリは、冷却工程中に砕ける。

Ｆｏｒｔｕｒａｎをシリコンに拡散または陽極接合することは実用的ではないが、本明細書で説明するレーザ接合方法は、シリコンまたは多くの他のセラミックもしくは金属にＦｏｒｔｒｕａｎを構成するために使用してもよい。室温レーザ接合の方法には、熱吸収層を生成するために界面における透過率変化が必要であるため、２つの透明基板に対する方法とほとんど同じ方法で、ガラスの透明板対、第２の基板すなわちレーザ波長を通さない材料の遮断板を使用する。しかしながら、完全な遮断板を透明板に接合する場合には、工程は自動調整式ではなく、表面が除去されるほどの大きい出力に遮断板がさらされないように、工程を非常に注意深く制御しなければならない必要がある。これは、界面における第２の基板の表面をガラスの第１の転移温度を十分超えるまで加熱するように、レーザフルエンスを制御することによって行い、その結果、第２の基板によって吸収されているレーザ光を受けてガラスが軟化する。これにより、確実に冷却工程中に、二酸化ケイ素の結合が界面で生じ、構成要素の各々を互いに付着させる。この方法は、ガラス対シリコン、ガラス対セラミック、ガラス対金属、およびガラス対プラスチックの接合で機能する。

実施例２でのような材料に施す場合のレーザ接合方法についてのプロセス制御の一例を図４に示す。ここで、最初のステップは、遮断熱吸収層の材料を選択することである、４０２。次いで、熱拡散長（Ｌｆ_ｉ）が光学侵入深さ（α^−１）未満であるような厚さの層の中に、遮断熱吸収材料の層を堆積させる、４０４。遮断熱吸収層は、界面上の第１の基板または第２の基板のどちらかの上に堆積させてもよい。次いで、透過率が７０％よりも大きいレーザ光波長を選択する、４０６。熱拡散長（Ｌｆ_ｉ）と一致するレーザ光パルス幅を選択する、４０８。遮断層の気化点に達するようなレーザ光出力を選択する、４１０。レーザ光パルス繰返数で、確実にパルス対パルスオーバーラップ５０％未満で存在するように、保持具のステージ移動速度を制御する、４１２。次いで、合わせた基板上に望ましいレーザ経路を達成するように保持具を移動させて、接合部を生じさせる、４１４。

実施例３ ガラス対プラスチック接合：
ガラス対プラスチック接合は、１つの制約、すなわち、遮断層は、ガラスに取り付けられているポリマーを融解しないような比較的低温で拡散する材料であるべきことはあるが、上記の方法に非常に類似している。拡散温度が低い特に良好な材料は、ＡｕＳｎ（金錫共晶混合物）である。金錫の遮断熱吸収層の拡散温度は２８０℃である。別の有用な特性は、レーザパルス幅が、遮断熱吸収層層の熱時定数、すなわちフェムト秒領域における熱時定数に近づくことである。パルス長が短いほど、高融点ガラス材料をより低い温度で融解するプラスチック材料に接合する前にポリマーを燃やし、または融解する可能性が低い。また、中間層なしで赤外線レーザ光を使用し、この波長でポリマーの遮断性を用いて接合を行うことも可能である。

実施例４ シリコン対ガラス接合：
先の方法の説明では、レーザ光が、可視透過性基板を通って可視遮断基板に達することができるように、レーザ透過波長を選択した。しかしながら、このことは、必ずしも可能ではなく、望ましくなく、また必要でもない。例えばシリコンは、１μｍ〜１０μｍの波長において５５％の光透過率を有するが、Ｂｋ−７ガラスは、３μｍを超える波長で０に近い透過率を有する。このことにより、ガラスではなくシリコンに浸透させるのに、ＣＯ２レーザを使用することができる。そのような方法は、基板間の界面における接合位置上にレーザを位置合わせしながら、シリコンの裏面をガラスの前面に取り付けるために用いることができる。レーザはシリコンを通過し、ガラス／金属の遮断層に当たり、接合させる。

予め充填された微小流体チャンネルを備えた基板を接合するなどの特定の状況下では、１つもしくは両方の基板の基板表面またはチャンネルをそれぞれ、１０ｎｍ〜１００ｎｍ厚のコーティングもしくは生物活性流体で予めコーティングし、もしくは予め充填することが必要または望ましい。室温を超える温度に基板を加熱する現行の接合方法では、膜または流体を浸炭または過熱することによって、膜を破壊して、流体を沸騰蒸発させ、生体培養物を殺す。本明細書で説明するレーザ接合方法は、バルク基板の温度を上げないため、表面コーティングを損傷したり、チャンネル内の流体を沸騰させたり、または活性培養物を殺したりしない。レーザ接合の熱影響部はおよそ１μｍである。また、１００ｎｍ厚の層のＴｅｆｌｏｎ、Ｐａｒａｌｉｎｅおよび他のポリマーによって接合することも示している。

さらに、本明細書で説明する室温レーザ接合方法の固有の特性は、接合されている同じ界面層に構造的導電性リードを形成することが可能なことである。リードの構造は、接合時に、合わせた基板上にレーザトラックによって形成する。したがって、接触リード構造を作るために接合層をパターン化する必要はない。これはまた、現在必要な堆積工程およびエッチング工程をなくすことによって、非常に環境に優しい方法に向かう。

例えば、工程を進めるために、多くの電気分解チャンネルが各チャンネルへの複数の接続を必要とする場合には、接続は接合工程と同時に形成してもよい。図５に示すように、第１の基板全体を金属化し、５０２、エッチング停止層として使用する。次いで、チャンネルをパターン化およびエッチングするであろう、５０４。次いで、金属層を残しながら、エッチングマスクを除去する、５０６。金属層は、遮断熱吸収層を構成する。次いで、出入口バイアと共に構成してもよいし、構成しなくてもよいキャッピングする第２の基板と、完全に金属化した第１の基板を組み合わせる、５０８。次いで、界面層を通り抜けるリードを形成するように、非拡散金属トレースを残してレーザを入射するための所定の経路上を移動させながら、チャンネル付き第１の基板と組み合わせたキャッピングする第２の基板を共にレーザ接合する、５１０。

接合工程によって、界面は冷えると圧縮された状態になるために、リードが接合界面を通り抜けても、はみ出ない。これにより、チャネル基板が表面基板を締め付け、密封シールを生成する。リードを広くする必要がある場合には、リードをセクションに分割して、小幅ストリップに圧縮を施すが、リード自体は導電的に広いままであるようにすることができる。また、金属をガラスに完全に拡散することなく、隣接するガラスにトレースを接合することができる。非拡散金属トレースは、より短いパルス長とレーザ接合してもよく、したがって、金属の層を接合するが、完全にはガラスに拡散しないであろう。ガラスを接合させても導電性のままである。

最後に、この方法は、同時に複数の基板界面上で作用し得る。レーザ工程は自動調整式で、基板および遮断熱吸収層は、熱吸収層の拡散時にレーザ光に対して透明になるため、レーザは第１の界面を通過して次の界面に達し、その界面を同時に接合する。界面の数を特定の数に限定する必要はないが、経験に基づくデータによると、接触リードを各界面内に残したまま、一度に７つの界面もの多くの層を接合することができる。

説明する実施形態では、１つの基板を別の基板に接合する場合、接合すべき各基板の界面上の表面仕上げが、少なくともＲａ １００ｎｍのものから始めることが最適である。基板をＲａ １μｍの粗さにすることはできるが、遮断／金属層が実質的により厚くなければ、接合の気密性は疑わしい。基板は、陽極接合または融着の場合と同様に、洗浄し、屑がない状態にしなければならない。しかしながら、この接合方法では、表面全体にわたって１００％接合する必要はなく、むしろ継目を密封することができるため、良好な接合の統計では、典型的な接合方法より、より高い歩留まりが重要視されている。

２つの透明基板を接合する場合には、基板のうちの１つの表面上に金属／遮断層を施す必要がある。典型的なＲａ ４Åの表面仕上げには、１００ｎｍのＣｒが遮断熱吸収層として十分である。

基板は、隣接する透明基板の方向に堆積させた遮断層と組み合わせる前に、提案する１００ｎｍ未満の粒子／１０ｍｍの汚染まで洗浄すべきである。薄い基板の場合には、各基板の外表面に圧力を加えることが必要であり、それによって、基板間に隙間が存在しないように基板を共に締め付ける。締付けは、例示的な支持固定具として説明するような、物理的な外部接触力を用いて、または基板の表面間から空気を外に引き出すために真空にすることによって行うことができる。

物理的なクランプを使用する場合には、シリコーンゴムなどのコンプライアント層を、１つの基板の外表面上に堆積し、比較的硬質の（溶融シリカ）透明表面を反対側の外側の基板上に堆積する。例示的な実施形態では、内部の隣接する面同士を確実に密着させるのに十分な圧力として、１３８ｋＰａ（２０ｐｓｉ）を用いる。

より厚い基板を締め付けるために真空を施す場合には、典型的なウェハアライナについての本技術分野で知られている方法を使用することができる。しかしながら、感光性化学物質を露光するために全面的な暴露光を使用せず、むしろ、遮断層を拡散するためにレーザを使用する。

基板表面が密着した状態で、一方のステージがレーザ光線の下に基板を位置付け、またはｆ−シータレンズを使用するスキャナが基板の上に光線を位置付ける種類の移動プラットフォームに、組み合わせた被加工物を載せることができる。精度または速度の目的でそれぞれ、どちらかの方法を採用することができる。

ステージ、スキャナまたはステージ／スキャナアセンブリを位置付けするため、制御ソフトウェアが必要である。例示的な実施形態では、３次元コンピュータ支援設計ソフトウェアが接合経路を作成し、次いで、接合経路がコンピュータ支援製造ソフトウェアによってＧ−コードに変えられ、次いでＧ−コードが再び後工程で移動ボード位置コマンドになる。

薄い基板を接合する場合には、以前に接合した経路に重ねないように注意しなければならない。これは、一旦遮断層がガラスに吸収されると、基板を通過するレーザの透過率が変わるからである。典型的には、透過率は低下するため、局所的な温度上昇を引き起こす（レーザ光線を受けて）のに十分なレーザエネルギーを基板が吸収し、それによって、材料のＣＴＥが原因で、より薄い基板内に過度の応力を引き起こし、アセンブリを破砕させる可能性がある。開口部を通過するレーザ光線は、典型的にはガウス分布を有するため、第１の通過のテールと主光線との間の空間に第２の通過のテールを挟むのが最適である。これにより通常確実に、基板は破砕しない。

特許法によって要求されるように、ここまで本開示の様々な実施形態について詳細に説明してきたが、本明細書で開示した特定の実施形態への修正および置換を当業者は認識する。そのような修正は、以下の請求項で定義するような本開示の範囲および意図に含まれる。

Claims (13)

1. 基板接合のための方法において、
   レーザ波長に対して透明な第１の基板を選択するステップと、
   前記第１の基板と界面で合わせるための第２の基板を選択するステップと、
   前記界面で透過率変化を起こすステップと、
   前記第１の基板および前記第２の基板を合わせるステップと、
   前記界面においてプラズマを生成するために、レーザの出力およびパルス幅を選択するステップと、
   前記プラズマを生成するために、前記レーザからのパルスで前記第１の基板を照射するステップであって、前記プラズマを生成するための前記レーザからのパルスで前記第１の基板を照射することが前記第１の基板または第２の基板を溶解しない、ステップと、を含み、
   前記プラズマが、前記第１の基板と前記第２の基板を結合させるために、前記界面にわたって拡散することを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記界面で透過率変化を起こす前記ステップが、合わせた前記界面における、前記第１の基板または前記第２の基板の表面の少なくとも一部の上に遮断熱吸収コーティングを堆積させるステップを含み、前記第１の基板を照射するステップが、前記遮断熱吸収コーティングから前記プラズマを生成するステップと、前記界面にすぐ隣接する前記第１の基板および前記第２の基板を、前記界面にわたる拡散によって軟化させるステップと、前記遮断熱吸収コーティングからのプラズマを前記第１の基板および前記第２の基板に拡散するステップと、を含むことを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記第２の基板もまた、前記レーザ波長に対して透明であり、前記遮断熱吸収コーティングからのプラズマを拡散するステップにより、基板接合の工程を自動調整し、前記レーザの照射による加熱を終了させることを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法において、照射する前記ステップが、合わせた前記第１の基板および前記第２の基板を移動させるステップをさらに含み、これにより、前記レーザからのビームが、前記第１の基板または前記第２の基板の特徴をたどるように、合わせた前記第１および第２の基板上の経路を照射することを特徴とする方法。
5. 請求項２に記載の方法において、選択した前記第１の基板および前記第２の基板が、ガラスであることを特徴とする方法。
6. 請求項２に記載の方法において、前記遮断熱吸収コーティングを、一連の金属、半導体およびセラミックの材料から選択することを特徴とする方法。
7. 請求項２に記載の方法において、前記選択した第１の基板がガラスであり、前記選択した第２の基板がプラスチックであり、前記遮断熱吸収コーティングが金錫共晶混合物であることを特徴とする方法。
8. 請求項１に記載の方法において、前記選択した第１の基板がシリコンであり、前記選択した第２の基板がガラスであり、前記レーザがＣＯ_２レーザであり、透過率変化を起こす前記ステップを、シリコンである第１の基板とガラスである第２の基板との透過率の差によって達成することを特徴とする方法。
9. 請求項４に記載の方法において、前記特徴が微小流体チャンネルを含み、前記界面で透過率変化を起こすステップが、前記微小流体チャンネルに隣接する前記合わさった界面で前記第１の基板または前記第２の基板の表面の少なくとも一部の上に、遮断熱吸収コーティングを堆積させるステップを含むことを特徴とする方法。
10. 請求項４に記載の方法において、前記界面で透過率変化を起こすステップが、前記合わさった界面で前記第１の基板または前記第２の基板の表面の少なくとも一部の上に、遮断熱吸収コーティングを堆積させるステップを含み、移動させる前記ステップが、前記遮断熱吸収コーティングの選択部分が導電性リードとして作用するように照射しないでおくために、前記経路を選択するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
11. 請求項９に記載の方法において、
    エッチング停止層として使用するために、前記第１の基板を金属化するステップと、
    前記微小流体チャンネルをエッチングマスクでパターン化し、前記微小流体チャンネルをエッチングするステップと、
    前記エッチング停止層を残しながら、前記エッチングマスクを除去するステップと、
    キャップとして、前記第１の基板を第２の基板と組み合わせるステップと、
    前記界面を通り抜けるリードを形成するように、非拡散金属トレースを残してレーザを入射させるための前記経路上を移動させながら、前記第１の基板と組み合わせた前記第２の基板をレーザ接合するステップと
    をさらに含むことを特徴とする方法。
12. 請求項１０に記載の方法において、前記第２の基板を、出入口バイアと共に構成することを特徴とする方法。
13. 請求項３に記載の方法において、
    熱拡散長（Ｌｆ_ｉ）が前記レーザの光学侵入深さ（α^−１）未満であるような厚さの層の中に、前記遮断熱吸収コーティングを堆積させるステップと、
    透過率が５０％より大きいレーザ光波長を選択するステップと、
    前記熱拡散長（Ｌｆ_ｉ）と一致するレーザ光パルス幅を選択するステップと、
    遮断層の気化点に達するようなレーザ光出力を選択するステップと、
    レーザ光パルス繰返数で、確実にパルス対パルスオーバーラップ５０％未満で存在するように、ステージ移動速度を制御するステップと
    をさらに含むことを特徴とする方法。

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