背景技術(shù)：

不同類型的塊狀材料結(jié)合在一起以形成結(jié)合的制品在多種工業(yè)中具有許多應(yīng)用。例如，在半導(dǎo)體工業(yè)中，高度期望能夠?qū)⒔^緣材料與導(dǎo)電材料結(jié)合。此外，能夠?qū)⒔^緣材料(例如藍(lán)寶石)連接到金屬(比如鈦)將具有許多應(yīng)用，包括形成用于光子器件和醫(yī)療器械的包裝。另一個(gè)期望能夠?qū)⑺{(lán)寶石有效連接到鈦的示例性工業(yè)是制造高檔首飾。該方法也可用于在高真空系統(tǒng)中結(jié)合藍(lán)寶石窗、以及軍用車輛和航天器。

將這些類型的材料結(jié)合在一起的傳統(tǒng)方法使用高溫和高壓以產(chǎn)生通常在數(shù)十微米厚到數(shù)百微米厚的擴(kuò)散結(jié)合(diffusionbond)。所用的溫度可約為600～1000℃。這些高溫導(dǎo)致對(duì)材料所形成的產(chǎn)品有害。例如，當(dāng)形成用于裝置的包裝時(shí)，用于在包裝中形成結(jié)合的高溫具有損耗包裝內(nèi)部件的風(fēng)險(xiǎn)。這也將導(dǎo)致多晶材料中的晶粒生長，并改變它們的物理性能。此外，隨著使用高溫歷經(jīng)較長的形成時(shí)間在結(jié)合區(qū)域中形成了不期望的化合物，這將影響結(jié)合的強(qiáng)度或韌度。另外，使用擴(kuò)散結(jié)合技術(shù)結(jié)合的材料的熱膨脹系數(shù)差異會(huì)導(dǎo)致隨著組件從高溫冷卻而產(chǎn)生界面應(yīng)力。這些應(yīng)力常常導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。由于界面應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋的尺寸趨向于與所接合材料的界面區(qū)的尺寸成比例。由于典型的擴(kuò)散結(jié)合產(chǎn)生相對(duì)大的界面區(qū)，所產(chǎn)生的裂紋也趨向于延伸數(shù)微米到數(shù)毫米。如果裂紋超過臨界缺陷尺寸，則即使在小負(fù)載下，脆性材料也將會(huì)自發(fā)地突然破裂。所以，較大的裂紋將容易導(dǎo)致可靠性和使用壽命降低。由于該原因，傳統(tǒng)的擴(kuò)散結(jié)合技術(shù)在具有不同熱膨脹系數(shù)的材料之間產(chǎn)生機(jī)械上牢固的結(jié)合上僅取得有限的成功。用于結(jié)合鈦和藍(lán)寶石的其它已知方法包括：用鈮的薄膜將藍(lán)寶石金屬化，并用金或其它合適的銅焊材料(brazematerial)將部件銅焊在一起。常規(guī)溫度為450～1200c。

用于結(jié)合不同材料而期望不損害包裝的內(nèi)部部件的一些相對(duì)低溫度的方法采用中間層，例如用焊料、玻璃料、或熱壓焊接的中間層。這些方法使用中等溫度(范圍為100℃～400℃)、以及中等壓力，以實(shí)現(xiàn)結(jié)合接縫。比如，作可以使用錫-銦-銀、或錫-鉛、錫-銅-銀的焊料。然而，該方法有幾點(diǎn)不足。用于焊接的焊劑易于導(dǎo)致污染，這難以檢測(cè)，特別是如果結(jié)合用于密封的情況下。結(jié)合的強(qiáng)度低于塊狀材料的強(qiáng)度，并且如果曝露于惡劣環(huán)境中，這些焊料合金易受腐蝕。另一個(gè)例子是受到納米多孔金的使用、以及向塊狀材料施加高壓的影響的熱壓結(jié)合(thermalcompressionbond)。然而，用這些技術(shù)難以確定結(jié)合的完整性，并且結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)低于塊狀材料的強(qiáng)度。使用粘合劑的其它方法用于形成結(jié)合，然而結(jié)合本身較弱、且是非氣密的。

鑒于上述原因以及下述其它原因(這些原因?qū)τ诒绢I(lǐng)域技術(shù)人員來說通過閱讀和理解本說明書將是顯而易見的)，本領(lǐng)域中仍需要在絕緣體和導(dǎo)電塊狀材料之間產(chǎn)生結(jié)合的方法，所述結(jié)合在低溫下形成、且具有與塊狀材料一樣強(qiáng)的強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實(shí)施方式解決了現(xiàn)有系統(tǒng)的上述問題，并將通過閱讀和理解以下說明進(jìn)行理解。通過實(shí)施例的方式、而非限制性方式給出以下發(fā)明內(nèi)容。僅供幫助讀者理解本發(fā)明的一些方面。

在一個(gè)實(shí)施方式中，提供了具有動(dòng)力學(xué)上有限納米級(jí)擴(kuò)散結(jié)合的塊狀材料。具有動(dòng)力學(xué)上有限納米級(jí)擴(kuò)散結(jié)合的塊狀材料包括透明材料和吸收材料。透明材料具有使得選擇波長的電磁波束穿過該透明材料而不大于最小能量吸收的性能。吸收材料具有從電磁波束顯著吸收能量的性能。擴(kuò)散結(jié)合通過將透明材料結(jié)合至吸收材料的電磁波束形成。擴(kuò)散結(jié)合的厚度小于1000nm。

在另一個(gè)實(shí)施方式中，提供了在塊狀材料中形成動(dòng)力學(xué)上有限納米級(jí)擴(kuò)散結(jié)合的方法。所述方法包括：將透明材料的待結(jié)合第一表面對(duì)著吸收材料的待結(jié)合第二表面放置。透明材料具有使得選擇波長的電磁波束穿過該材料而不大于最小能量吸收的性能，并且吸收材料具有大幅吸收來自電磁波束的能量的性能。然后，向透明材料和吸收材料施加壓力。電磁波束選擇性穿過透明材料到達(dá)不透明吸收材料的待結(jié)合第二表面。電磁波束導(dǎo)致產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)上有限納米級(jí)擴(kuò)散結(jié)合。

附圖的簡要說明

當(dāng)考慮詳細(xì)描述和以下附圖時(shí)，本發(fā)明可更易于理解，并且本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和用途將會(huì)更顯而易見，其中：

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式中形成結(jié)合的示意圖；

圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的鈦預(yù)備流程圖；

圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的藍(lán)寶石預(yù)備流程圖；

圖4a是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的一般清潔流程圖；

圖4b是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的鈦清潔流程圖；

圖5是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的初始設(shè)置流程圖；

圖6是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的結(jié)合流程圖；

圖7是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的激光脈沖光斑尺寸重疊的圖；

圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的快速溫度(rapid-temperature)塊狀材料結(jié)合系統(tǒng)的框圖；

圖9a是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式在鈦-藍(lán)寶石塊狀材料中結(jié)合的擴(kuò)散區(qū)的納米級(jí)透射電子顯微鏡(tem)圖像；

圖9b是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式在鈦-藍(lán)寶石塊狀材料中的界面結(jié)合接縫的納米級(jí)透射電子顯微鏡(tem)圖像；

圖9c是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的結(jié)合的鈦-藍(lán)寶石塊狀材料的微米級(jí)掃描電子顯微鏡(sem)圖像；

圖10是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的結(jié)合固定裝置組件的側(cè)視透視圖；

圖11是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的材料夾持組件的側(cè)視圖；

圖12是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的材料夾持組件的部分橫截面的側(cè)視透視圖；

圖13是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式中形成結(jié)合的示意圖。

按照慣例，各種所述特征不是按比例繪制的，而是繪制以強(qiáng)調(diào)本發(fā)明相關(guān)的具體特征。圖中和上下文中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。

詳述

在以下詳細(xì)說明中，參照構(gòu)成說明書的一部分的附圖，并且其中以說明性方式顯示了可以實(shí)施本發(fā)明的具體實(shí)施方式。這些實(shí)施方式被充分詳細(xì)地描述以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，并且應(yīng)當(dāng)理解其它實(shí)施方式也可實(shí)現(xiàn)并且可做出邏輯和機(jī)械改變而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，以下描述不應(yīng)起限制作用，且本發(fā)明的范圍僅由權(quán)利要求書及其等同項(xiàng)進(jìn)行限定。

本發(fā)明的實(shí)施方式提供了用快速室溫過程(rapidroom-temperatureprocess)對(duì)不同塊狀材料進(jìn)行結(jié)合。結(jié)合的塊狀材料包括透明材料104(非金屬(絕緣體)材料)和不透明吸收材料106(金屬(導(dǎo)體)材料)，大體如圖1所示。透明材料104對(duì)于來自激光器102的電磁波束103(電磁輻射、電磁信號(hào)、或一般的激光信號(hào))至少部分透明。因此，透明材料104具有使得電磁波束從中穿過而不大于最小能量吸收的性能。在實(shí)施方式中，形成厚度小于1000nm的擴(kuò)散結(jié)合，將不同塊狀材料結(jié)合在一起。

吸收材料106吸收電磁輻射103的能量、并與電磁輻射103的能量相互作用，并且通過在吸收材料106和透明材料104之間擴(kuò)散(不透明材料106擴(kuò)散到透明材料104中、或者透明材料104擴(kuò)散到不透明材料106中)，在塊狀材料104和106之間產(chǎn)生結(jié)合界面108。此外，在一些實(shí)施方式中，擴(kuò)散包括兩種材料均擴(kuò)散到彼此中的相互擴(kuò)散。示例性的透明材料104包括玻璃、多晶或單晶材料(例如、包括但不限于：藍(lán)寶石和石英)。其它透明材料的例子包括、但不限于：氧化鋯、金剛石、金屬氧化物、以及剛玉變體。吸收材料106包括金屬，例如但不限于鈦。此外，吸收材料106可以是鈦的合金。穿過透明材料104、同時(shí)與吸收材料106相互作用以形成所期望結(jié)合的最小能量吸收大體需要滿足以下兩個(gè)要求：(1)傳輸透過透明材料104的能量必須足以激活經(jīng)由不透明材料106吸收在界面處的結(jié)合過程，并且同時(shí)(2)透明材料104吸收的任何能量必須不足以熔融、扭曲、或以其他方式影響透明材料104塊體離開結(jié)合界面108。通常，材料的能量吸收曲線作為波長的函數(shù)上升得相對(duì)較快。為了過程控制和可重復(fù)性，可以選擇不在該吸收曲線高斜率區(qū)域上的波長用于透明材料104。此外，在一個(gè)實(shí)施方式中，通過透明材料104的最小能量吸收小于電磁輻射103總能量的50％。

如下文詳細(xì)說明，所產(chǎn)生的結(jié)合的界面韌性(強(qiáng)度)與塊狀材料104和106中至少一個(gè)的強(qiáng)度相似。此外，在某些實(shí)施方式中，所產(chǎn)生的結(jié)合不包含大到足以使得所測(cè)定接縫的斷裂韌度下降到低于接縫中所涉及透明材料的體積斷裂韌度(bulkfracturetoughness)水準(zhǔn)的裂紋或缺陷。在一些實(shí)施方式中，所產(chǎn)生的結(jié)合通常是連續(xù)、均勻且無裂紋的。此外，在一個(gè)實(shí)施方式中，該結(jié)合提供耐腐蝕且生物穩(wěn)定的氣密密封。此外，在一些實(shí)施方式中，由于短加熱時(shí)間，結(jié)合界面108(混合或擴(kuò)散區(qū))是相對(duì)薄的界面(在亞微米(即，納米級(jí))范圍)。在使用所選擇的材料、以及短的局部結(jié)合時(shí)間、且不存在整體加熱的情況下，在界面處或界面附近會(huì)削弱結(jié)合的不期望的化合物的形成被最小化或消除。在使用鈦?zhàn)鳛槲詹牧?06且藍(lán)寶石作為透明材料104的例子中，產(chǎn)生了均勻的界面區(qū)域108。雖然鈦和藍(lán)寶石的熱膨脹系數(shù)相對(duì)接近，但是本文中所述的技術(shù)可以用于將熱膨脹系數(shù)極為不同的其它不同材料(例如金和藍(lán)寶石、或鋁和藍(lán)寶石)連接在一起。

在一些實(shí)施方式中，塊狀材料首先進(jìn)行加工以預(yù)備將它們進(jìn)行接縫。在鈦-藍(lán)寶石例子中塊狀材料的預(yù)備在圖2的鈦預(yù)備流程圖200和圖3的藍(lán)寶石預(yù)備流程圖220中進(jìn)行說明。關(guān)于鈦，在一個(gè)實(shí)施方式中，選擇待使用的鈦的級(jí)別。在一個(gè)實(shí)施方式中，鈦進(jìn)行機(jī)械加工以形成兩個(gè)平坦的平行表面(204)。平坦表面中的一個(gè)用于與藍(lán)寶石結(jié)合，另一個(gè)用于提供其上可以施加力的相對(duì)平坦表面。在另一實(shí)施方式中，僅鈦的一個(gè)表面是機(jī)械加工平面。在一個(gè)實(shí)施方式中，對(duì)待與藍(lán)寶石結(jié)合的鈦的表面施加研磨工藝和拋光工藝，以改進(jìn)表面質(zhì)量(206)。在一個(gè)實(shí)施方式中，研磨包括使用布蘭查德研磨(blanchardgrinding)和12μm直徑的鋁氧化物(al2o3)漿液(氧化鋁)的組合在一個(gè)實(shí)施方式中，機(jī)械加工表面(204)以及研磨和拋光表面(206)的順序可以顛倒。此外，在一些實(shí)施方式中，機(jī)械加工表面(204)以及研磨和拋光表面(206)的順序交織在一起。進(jìn)一步，在一個(gè)實(shí)施方式中，鈦的結(jié)合表面在兩步工藝中進(jìn)行拋光以改進(jìn)表面質(zhì)量。第一拋光步驟使用1.5μm金剛石漿液的混合物。第二和最終拋光步驟使用0.5μm金剛石漿液的混合物。在某些實(shí)施方式中，期望亞微米范圍的平坦度，以確保當(dāng)表面配對(duì)時(shí)待結(jié)合表面的緊密接觸?？梢圆捎锰娲臐{液和方法以實(shí)現(xiàn)需要的平坦度和表面精整度。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)粗糙度(ra)低于100nm的光滑無劃痕表面能夠獲得期望的氣密結(jié)合接縫。然而，可以以高達(dá)200nm或以上的粗糙度獲得氣密結(jié)合。此外，取決于形態(tài)，粗糙度高達(dá)500nm或以上的可以獲得非氣密結(jié)合。在一個(gè)不需要由結(jié)合產(chǎn)生氣密密封的實(shí)施方式中，可以省略某些精細(xì)拋光。關(guān)于預(yù)備藍(lán)寶石，藍(lán)寶石首先進(jìn)行拋光(222)。在一個(gè)實(shí)施方式中，使用c或r晶面取向。如果需要，隨后藍(lán)寶石切成小塊(224)。

一旦鈦和藍(lán)寶石準(zhǔn)備好，將兩者都進(jìn)行清潔。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，如圖4a的一般清潔流程圖255中所說明的，鈦和藍(lán)寶石一般按需用離子溶液和非離子溶液進(jìn)行清潔(226)，然后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)干燥(228)。用于鈦的具體清潔的其它例子如圖4b的鈦清潔流程圖230中所說明。鈦用肥皂水洗滌(232)，然后用去離子水洗滌(234)。在一個(gè)實(shí)施方式中，塊狀鈦材料104隨后首先用丙酮漂洗(236)，然后擦干凈(238)。在一個(gè)實(shí)施方式中，塊狀鈦材料104隨后首先用甲醇漂洗(240)，然后擦干凈(250)。然后鈦材料用空氣噴槍等吹干(252)。在一個(gè)實(shí)施方式中，可以使用薄片制造工藝(waferfabricationprocess)以清潔并干燥鈦。在一個(gè)實(shí)施方式中，在清潔鈦之后，避免擦拭表面。

在塊狀材料104和106準(zhǔn)備好并清潔后，它們?nèi)鐖D5的初始設(shè)定流程圖260所述進(jìn)行預(yù)組裝(262)。塊狀材料104和106通過將鈦的待結(jié)合表面緊挨著藍(lán)寶石表面放置來進(jìn)行預(yù)組裝。一旦鈦和藍(lán)寶石合適地彼此相對(duì)放置，它們將裝載到結(jié)合固定裝置組件308的夾持架550中(如圖9～圖11中所示，并如下文中所述)(264)。夾持架550將鈦和藍(lán)寶石相對(duì)于彼此保持在相應(yīng)的位置。然后施加壓力，以將鈦壓向藍(lán)寶石(266)。用此處所述工藝結(jié)合塊狀材料所需的壓力的量至少部分取決于被結(jié)合的材料、以及塊狀材料的形狀和尺寸。大體上，壓力僅需要高到足以確保結(jié)合表面的緊密接觸，以使得當(dāng)用激光輻照時(shí)發(fā)生結(jié)合。此外，在一些實(shí)施方式中，導(dǎo)致界面表面高點(diǎn)接觸的界面處的壓力的量一般足以確保結(jié)合。一旦塊狀材料在固定裝置中并施加壓力，在材料之間產(chǎn)生結(jié)合。在材料中形成結(jié)合的工藝在室溫下如圖6的結(jié)合流程圖270中所述。如圖6中所述，如圖1所述那樣激光102直接穿過透明材料104(在該實(shí)施例中是藍(lán)寶石)到達(dá)吸收材料106(在該實(shí)施例中是鈦)的表面。在一個(gè)實(shí)施方式中，激光結(jié)合參數(shù)包括脈沖能量、脈沖寬度、脈沖頻率、光斑大小、以及光斑重疊量或斑點(diǎn)間距。在形成結(jié)合中，參數(shù)的值通常基于彼此。因此，選擇一個(gè)參數(shù)的值將會(huì)導(dǎo)致對(duì)于另一參數(shù)的選擇值，以形成所期望的動(dòng)力學(xué)上有限結(jié)合。形成結(jié)合所需要的僅是能量以按照期望將結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的方式進(jìn)行傳輸。因此，本發(fā)明不受限于具體參數(shù)。光斑尺寸和光斑重疊量將參考圖7在下文進(jìn)行討論。

光斑尺寸是在表面280上激光束的寬度/直徑282(電磁波束)。圖7說明作為電磁光波的脈沖282(電磁脈沖或激光脈沖)隨時(shí)間相對(duì)其目標(biāo)進(jìn)行移動(dòng)。在如圖7所示實(shí)施例中，聚焦的激光脈沖280通常是圓形的。光斑重疊量284是脈沖280與前一個(gè)脈沖280的重疊量的百分比。在鈦-藍(lán)寶石例子中，激光脈沖280的光斑尺寸282可以在5～15μm的范圍中。在鈦-藍(lán)寶石例子中，0～50％范圍內(nèi)的重疊量實(shí)現(xiàn)了良好的結(jié)果。也可以獲得更高的重疊量，但是是以處理時(shí)間為代價(jià)的。用較高的每個(gè)脈沖的能量以及較低的重疊量、或較低的每個(gè)脈沖的能量和較高的重疊量，可以獲得相似的結(jié)果。在鈦-藍(lán)寶石塊狀材料的例子中，對(duì)1～80khz的頻率、1～5μj的脈沖能量、以及電磁波束相對(duì)鈦-藍(lán)寶石塊狀材料以5mm/s～600mm/s的速率移動(dòng)進(jìn)行探究。通過實(shí)驗(yàn)確定具有uv355nm-ir1064波長的激光、2.1mw-100mw的平均功率、約1khz的重復(fù)率(脈沖的頻率)、以及激光相對(duì)鈦-藍(lán)寶石塊狀材料以5mm/s～600mm/s速率移動(dòng)產(chǎn)生了均勻、牢固、且連續(xù)的結(jié)合。平均功率等于約0.6～2.1μj的脈沖能量乘以1khz重復(fù)率(平均功率＝脈沖能量x重復(fù)率)。設(shè)定重復(fù)率和平均激光功率以產(chǎn)生所期望的用于結(jié)合程序的脈沖能量和脈沖重疊量。在鈦-藍(lán)寶石例子中，優(yōu)選1～10％的重疊量。功率水準(zhǔn)取決于光斑尺寸(在一個(gè)實(shí)施方式中，約10微米)，并且其可以預(yù)料到具有獲得等同積分通量的參數(shù)的相似結(jié)果。還可以通過實(shí)驗(yàn)確定，在保持如上所述的其它參數(shù)的同時(shí)，將脈沖能量增加到2.5μj及以上，將會(huì)產(chǎn)生結(jié)合，但是開始發(fā)生開裂，當(dāng)脈沖能量遠(yuǎn)低于2.0μj，結(jié)合將不會(huì)形成。此外，在12khz的頻率和1μj的脈沖能下，用于如上所述相同的其它參數(shù)，形成所期望的結(jié)合。因此，可以使用較高頻率且較低的能量。此外，較低的頻率且較高的重疊率將會(huì)用于獲得等同的能量設(shè)置以形成結(jié)合。此外，計(jì)劃使用其它波長，包括跨越整個(gè)uv光譜、可見光譜和紅外光譜的波長。例如，可以使用波長532nm的激光。在該例子中，激光工藝參數(shù)的優(yōu)選設(shè)定包括：1μj的脈沖能量、10μm的光斑尺寸、1khz的脈沖頻率、以及50％的光斑重疊量。當(dāng)塊狀材料結(jié)合在一起時(shí)可以形成淬火帶，作為結(jié)合過程中結(jié)合材料如何快速冷卻的結(jié)果。淬火帶限定了結(jié)合結(jié)構(gòu)的表征。材料如何快速冷卻至少部分地隨脈沖寬度和功率的變化而變化。因此，改變脈沖形狀能夠改變結(jié)合結(jié)構(gòu)。如上所討論的，如上所給出的參數(shù)是示例性參數(shù)。取決于待結(jié)合的材料和所期望的結(jié)合，可以使用其它參數(shù)。例如，可以使用脈沖或連續(xù)波以形成結(jié)合。此外，可以使用范圍0～100％的重疊量，以在材料之間形成所期望的結(jié)合。因此，本發(fā)明不限于具體參數(shù)，例如具體頻率、光斑尺寸、重疊量、或波長。

一旦設(shè)定操作參數(shù)，激光將對(duì)準(zhǔn)參考特征(278)。然后，如參考圖8在下文中進(jìn)一步討論，通過控制器302運(yùn)行程序，以激活激光并移動(dòng)結(jié)合固定裝置組件308的臺(tái)307，形成結(jié)合(280)。在替代實(shí)施方式中，掃描儀305用于移動(dòng)激光102，而非采用移動(dòng)塊狀材料的臺(tái)307。此外，也可以采用臺(tái)和波束移動(dòng)的組合。在鈦-藍(lán)寶石的例子中，確定塊狀材料(鈦和藍(lán)寶石)或激光將會(huì)在激活激光以形成無裂紋、均勻且連續(xù)的結(jié)合的同時(shí)以實(shí)現(xiàn)0～100％聚焦的激光光斑重疊量的所需速度進(jìn)行平移。該設(shè)定也使得通過選擇性地將激光引導(dǎo)到待結(jié)合塊狀材料的所選部分能夠進(jìn)行圖案化結(jié)合。在結(jié)合期間，將具有適當(dāng)?shù)某掷m(xù)時(shí)間和強(qiáng)度的電磁輻射引導(dǎo)穿過絕緣體基材(在該例子中是藍(lán)寶石)到達(dá)界面，以刺激局部原子遷移，其足以在界面產(chǎn)生塊狀材料之間化學(xué)結(jié)合、但不足以以降低塊體材料機(jī)械性能或耐化學(xué)性的方式改變塊狀材料。特別是，脈沖的短持續(xù)時(shí)間限制了由于熱膨脹失配和熱沖擊而自然產(chǎn)生的界面應(yīng)力場的大小。由于所產(chǎn)生的缺陷尺寸與局部應(yīng)力場的尺寸成比例，在接合期間產(chǎn)生的典型界面缺陷將僅僅是小的，典型地為納米級(jí)的。因此，沒有產(chǎn)生足夠尺寸的缺陷，其將提高局部應(yīng)力強(qiáng)度以滿足傳播閾值(propagationthreshold)。

快速室溫塊狀材料結(jié)合系統(tǒng)300的框圖如圖8中所示。系統(tǒng)300包括控制器302?？刂破?02包括用于指令儲(chǔ)存的存儲(chǔ)器301和處理指令的處理器303。用戶界面304與控制器302連接。使用者通過用戶界面304向控制器302提供指令，例如設(shè)定重復(fù)率、平均激光功率、臺(tái)移動(dòng)速率和/或掃描儀速率。同樣，如圖7中所示的是結(jié)合固定裝置組件308。結(jié)合固定裝置組件308用于夾持塊狀材料并將塊狀材料相對(duì)激光102定位。在該實(shí)施方式中，固定裝置308包括其上安裝塊狀材料的臺(tái)307。設(shè)計(jì)以使得臺(tái)307在控制器302控制下沿x、y和z方向移動(dòng)。如上所述，在一個(gè)實(shí)施方式中，在控制器302控制下的掃描儀305相對(duì)通過固定裝置308夾持的待結(jié)合的塊狀材料移動(dòng)激光器102。系統(tǒng)300還可以包括一個(gè)或多個(gè)向控制器提供信息的傳感器310。例如，傳感器310可以包括位置傳感器、功率表、攝像機(jī)等。

圖9a顯示通過如上所述步驟形成的結(jié)合的鈦402和藍(lán)寶404的擴(kuò)散區(qū)406的透射電子顯微鏡(tem)圖像。如上所述，由于電磁束的能量與鈦相互作用，鈦擴(kuò)散到氧化鋁(藍(lán)寶石)中以形成擴(kuò)散區(qū)406。如圖所示，在該例子中擴(kuò)散區(qū)406是均勻的、且厚度小于60nm。此外，隨著擴(kuò)散區(qū)406接近藍(lán)寶石404，鈦402以單調(diào)下降的形式穿過界面并接近零。該結(jié)構(gòu)不是用于典型的高溫、長持續(xù)時(shí)間擴(kuò)散結(jié)合所能預(yù)期的。例如，由激光結(jié)合工藝導(dǎo)致的濃度階梯的斜率不同于典型擴(kuò)散結(jié)合中產(chǎn)生的斜率。而且，幾乎不可能在不添加玻璃和/或金屬(例如鈮)以控制應(yīng)力和/或不期望相的情況下用本領(lǐng)域已知技術(shù)直接將鈦擴(kuò)散結(jié)合到藍(lán)寶石。在鈦-藍(lán)寶石例子中，結(jié)合界面區(qū)域包含對(duì)塊狀材料是良好過渡的鈦、鋁和氧。如上所述，如上所述的技術(shù)導(dǎo)致與所用塊狀材料中至少一種一樣堅(jiān)固的結(jié)合。在鈦-藍(lán)寶石例子中，結(jié)合與藍(lán)寶石一樣堅(jiān)固。參考圖9b，提供在納米(nm)范圍內(nèi)的tem圖410。該圖顯示形成厚度小于200nm的納米級(jí)界面結(jié)合接縫412。在小于200nm界面結(jié)合接縫之外，鈦402和藍(lán)寶石404未受干擾。也就是說，如上所述結(jié)合的形成不會(huì)改變納米級(jí)界面結(jié)合接縫412(在該例子中小于200nm)之外的鈦402和藍(lán)寶石404的性能。如圖9b的tem圖410所示，結(jié)合包括在擴(kuò)散區(qū)406中產(chǎn)生的界面結(jié)合接縫412。參考圖9c，提供在微米(μm)范圍內(nèi)的掃描電子顯微鏡(sem)圖418。因此，圖再次說明了除了靠近如上所述結(jié)合在一起的塊體材料表面附近的納米級(jí)界面結(jié)合接縫412之外，塊狀藍(lán)寶石404和塊狀鈦402不受結(jié)合422形成的干擾。圖9c還說明塊狀材料還可以圖案化結(jié)合。特別是，圖9c說明未結(jié)合區(qū)域420和424以及結(jié)合區(qū)域422。因此，因?yàn)槿缟纤黾夹g(shù)使得在電磁波束形成結(jié)合上的精準(zhǔn)位置控制，如果需要，間隔結(jié)合區(qū)域的圖案在塊狀材料的接觸表面區(qū)域之間形成。上文描述并說明了在鈦-藍(lán)寶石結(jié)合中小于60nm的擴(kuò)散區(qū)。然而，在實(shí)施方式中，通過改變參數(shù)和待結(jié)合材料，能夠預(yù)期范圍10nm～1000nm的擴(kuò)散區(qū)。

如圖10顯示在一個(gè)實(shí)施方式中所用的結(jié)合固定裝置組件308的一個(gè)例子。結(jié)合固定裝置組件308用于夾持并放置塊狀材料、以及將激光引導(dǎo)到塊狀材料上。該示例性結(jié)合固定裝置組件308包括其上安裝x軸移動(dòng)臺(tái)504、y軸移動(dòng)臺(tái)506和z軸移動(dòng)臺(tái)508的底座502。x軸移動(dòng)臺(tái)504、y軸移動(dòng)臺(tái)506和z軸移動(dòng)臺(tái)508構(gòu)成如上所述的臺(tái)307。它們?cè)诳刂破?02的控制下放置塊狀材料。結(jié)合固定裝置組件308還顯示為包括在結(jié)合過程中使用的聚焦光學(xué)組件510、攝影組件512、和對(duì)準(zhǔn)光學(xué)器件514?！妒覝氐牟Ａc玻璃、玻璃與塑料、以及玻璃與陶瓷/半導(dǎo)體結(jié)合》(roomtemperatureglass-to-glass,glass-to-plasticandglass-to-ceramic/semiconductorbonding)的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)13/291,956中發(fā)現(xiàn)相似固定裝置的一個(gè)例子，其全部內(nèi)容通過引用納入本文。結(jié)合固定裝置組件308進(jìn)一步包括材料夾持組件520，其將參考圖11和12進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。

材料夾持組件520包括嚙合支撐件(engagementsupport)524和固定板538。在嚙合支撐件524和固定板538之間的連接是一組四個(gè)間隔桿(spacingrod)539和四個(gè)平移桿(translationrod)528。進(jìn)一步，在嚙合支撐件524和固定板538之間設(shè)置膨脹組件530。膨脹組件530包括至少一種在控制器302控制下的充氣膨脹裝置?；瑒?dòng)板532位于膨脹組件530上方?；瑒?dòng)板532包括接收各個(gè)平移桿528的間隔槽。在使用中，膨脹組件530沿著平移桿528選擇性地移動(dòng)滑動(dòng)板532。夾持待結(jié)合塊狀材料的夾持架550位于滑動(dòng)板532上面。光學(xué)平板534則位于夾持架550上方。光學(xué)平板534由對(duì)于激光透明的材料制成。如上所述，以光學(xué)平板534、夾持架550、滑動(dòng)板532和膨脹組件530夾在嚙合支撐件524和固定板538之間的方式，將固定板538通過間隔件(spacer)539連接到嚙合支撐件524，固定板538包括中心通路540(如圖12中所示)，用于電磁波束穿過。固定板538的中心通路540的直徑比光學(xué)平板534的直徑小。在使用中，一旦將待結(jié)合材料放置在夾持架550中、且夾持架550位于材料夾持組件520中，控制器302(如圖8所示)選擇性激活膨脹組件530以使得滑動(dòng)板532沿著平移桿528移動(dòng)。由于夾持平板534經(jīng)由固定板538固定，該操作在夾持固定裝置550上施加壓力，從而在待結(jié)合的塊狀材料上施加壓力。在另一實(shí)施方式中，一些單獨(dú)的鈦部件可以結(jié)合到單個(gè)藍(lán)寶石基材上，各個(gè)鈦部件適當(dāng)呈現(xiàn)并排列。類似的，一些單獨(dú)的藍(lán)寶石基材或部件可以結(jié)合到單個(gè)鈦元件上。

圖12中，說明了塊狀材料600和602夾持在夾持架550中的材料夾持組件520。在該例子中，塊狀材料包括鈦600和一層藍(lán)寶石602。鈦的厚度一般大于10μm且典型地在10μm～100mm范圍內(nèi)。所使用的鈦的厚度范圍為50μm～50mm，但是也可使用其它厚度。如圖12所示，塊狀材料600和602夾在光學(xué)平板534和夾持架550之間。在使用中，電磁波束通過固定板的中心通道540輸送、且穿過光學(xué)平板534和藍(lán)寶石層602到達(dá)鈦600，同時(shí)藍(lán)寶石和鈦通過材料夾持組件520推壓到一起以使得待結(jié)合表面彼此接觸。如上所述，電磁波束與鈦相互作用導(dǎo)致鈦擴(kuò)散到藍(lán)寶石中，以產(chǎn)生具有連接藍(lán)寶石和鈦的無定形擴(kuò)散區(qū)406的界面結(jié)合接縫412。圖12還顯示在實(shí)施方式中鈦600是圖案化的。在該實(shí)施方式中，鈦具根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)所期望進(jìn)行結(jié)構(gòu)化。鈦塊狀材料600的相互連接的網(wǎng)提供了所期望的橫向穩(wěn)定性和垂直順應(yīng)性(verticalcompliance)。鈦塊狀材料(薄片)的構(gòu)造使其順服以使得鈦薄片的各形成的部分到達(dá)藍(lán)寶石，同時(shí)仍然保持連續(xù)且獨(dú)立的撓性。這通過協(xié)助補(bǔ)償鈦和藍(lán)寶石表面的適度不平坦提供了待結(jié)合區(qū)域中鈦和藍(lán)寶石之間緊密的表面對(duì)表面的接觸?？缭秸麄€(gè)表面的任何適度的相對(duì)大面積的非平坦能夠通過將撓性結(jié)構(gòu)化的鈦薄片壓向藍(lán)寶石進(jìn)行緩和，使得彎曲/壓緊一直非常輕微以保證在緊密接觸中放置局部平坦的待結(jié)合區(qū)域。

在另一實(shí)施方式中，薄中間層708放置在待結(jié)合的塊狀材料704和706之間。這示于圖13中。在一個(gè)實(shí)施方式中，在結(jié)合前，中間層708放置于透明材料704上或不透明吸收材料706上(或者兩者之上)。薄中間層708的例子包括薄金屬膜，例如但不限于鈦、鈮、鉭、鋁、鋯、鉻，氮化硅(si3n4)等。薄導(dǎo)電中間層可以幫助不透明吸收材料(例如鈦)與其它裝置結(jié)構(gòu)和/或電學(xué)部件的電氣連接。薄中間層708還可以降低表面精整度的需求，并提供更一致的表面以吸收激光能量。薄中間層708的厚度在納米到數(shù)微米的范圍內(nèi)。如上所討論的實(shí)施方式，激光器102提供傳輸穿過透明材料704的激光信號(hào)103，直至其到達(dá)薄中間層708和不透明吸收材料706。在對(duì)激光信號(hào)103能量的響應(yīng)中，薄中間層708同時(shí)與透明材料704和不透明吸收材料706結(jié)合，以在透明材料704和不透明吸收材料706之間形成結(jié)合。在較厚(微米范圍)的中間層708施加到不透明吸收材料706上的情況下，所形成的結(jié)合可僅在中間層和透明材料704之間。此外，在一個(gè)實(shí)施方式中，中間層708包括抗反射(ar)涂層。該實(shí)施方式有助于提高較低能量下的結(jié)合而不產(chǎn)生裂紋。此外，在一個(gè)實(shí)施方式中，ar涂層用于將波束反射回去，并且在較低功率下較好地進(jìn)行吸收。此外，在一個(gè)實(shí)施方式中，使用柔性濺射中間層。在該實(shí)施方式中，微米的延展性沉積(ductiledeposition)708設(shè)置在不透明材料706的表面上。柔性濺射中間層708吸收經(jīng)結(jié)合的材料的界面移動(dòng)(interfacialmotion)。這增加了在因外部載荷或局部負(fù)荷(例如可以由熱膨脹系數(shù)不同的塊狀材料的溫度變化導(dǎo)致)而破裂或開裂前結(jié)合接縫能夠處理界面應(yīng)變。在2010年12月23日提交的標(biāo)題為“使用中間層對(duì)基材進(jìn)行結(jié)合的技術(shù)(techniquesforbondingsubstratesusinganintermediatelayer)”的美國申請(qǐng)第12/977,890號(hào)中發(fā)現(xiàn)使用薄膜用于結(jié)合的其它例子，該美國申請(qǐng)的內(nèi)容通過參考結(jié)合于本文。如上所述結(jié)合的實(shí)施方式可以用于密封腔體。用如上所述的結(jié)合過程形成腔體的優(yōu)點(diǎn)在于在形成過程期間可以控制腔體中的內(nèi)部氣氛組成。

雖然在本文中已經(jīng)對(duì)具體實(shí)施方式進(jìn)行了說明和描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解通過計(jì)算以實(shí)現(xiàn)相同目的的任何配置可以用于替代所示具體實(shí)施方式。本申請(qǐng)意圖覆蓋本發(fā)明的任何適應(yīng)或變化。因此，顯然意圖使得本發(fā)明僅受權(quán)利要求數(shù)和其等同項(xiàng)限定。