JP2004209724A - 二重陽極接合による接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二重陽極接合によって引き起こされる、最初の陽極接合界面での剥離を防止できる、二重陽極接合による接合方法を提供する。
【解決手段】溝部形成のプロセスを経た一方のＳｉ基板１における接合面５に複数の凹部６あるいは多孔質（ポーラス）部７を形成し、接合面上にガラス基板８を載置し、この状態でガラス基板の軟化点まで加熱し、同時に加圧によって、接触しているガラス基板の一部を凹部または多孔質（ポーラス）部の孔の中に圧入し、圧入後、降温する過程でＳｉ基板とガラス基板を陽極接合し、この後ガラス基板を薄片化し、同時に薄片化中すでに陽極接合済みのガラス基板の溝部直上部分にスルーホール部９を形成し、さらに予め薄片化プロセスによって振動板１２を形成し、振動板上に振動の駆動源となる圧電体１５を成膜した他方のＳｉ基板１０とガラス基板を陽極接合する。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインク吐出用ヘッドにおいて、ノズル、インク流路、インク室を有するＳｉ基板と振動板からなるＳｉ基板を、すなわちＳｉ基板同士をガラスを介して陽極接合により固層接合する接合法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（１）従来、固層接合法は通常、それぞれの接着表面を親水化処理し、その後両接着面を重ね合わせ、１０００度Ｃから１２００度Ｃの温度下で熱処理することにより行われていた（例えば、非特許文献１参照。）。
（２）あるいは、接合表面を清浄化し、超高真空中で荷重を印加し、直接接合することにより行われていた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【非特許文献１】
ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Journal of AppliedPhysics）、１９８６年１０月１５日、６０巻、８号、ｐ．２９８７
【特許文献１】
特開昭５６−５３８８６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術では次の様な不都合があった。
（１）接着面同士を重ね合わせた後、高温度での熱処理過程による接合は、形成済みの素子及び配線に悪影響を及ぼす。すなわち、形成済みの素子の破壊あるいは配線の断線を引き起こしやすく、かつ高温下で接合するので作業性が良くない。あるいは、溝形成等のプロセスを経た場合のＳｉ基板の表面は無数の凹凸、及び段差を生ずるので、直接接合をすることは困難である。
（２）基板表面をイオンエッチングによって清浄化し、この後超高真空中で荷重印加により基板同士を接合するので、装置が大掛かりになり易く、かつアライメントが困難である。
【０００５】
上述の従来技術の欠点を回避するため、本発明の目的は、二重陽極接合によって引き起こされる、最初の陽極接合界面での剥離を防止できる、二重陽極接合による接合方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の欠点を回避する接合法を提供するものであり、二重陽極接合において、すなわち、溝部形成のプロセスを経た一方のＳｉ基板における接合面に複数の凹部あるいは多孔質（ポーラス）部を形成し、接合面上にガラス基板を載置し、この状態でガラス基板の軟化点まで加熱し、同時に加圧によって、接触しているガラス基板の一部を凹部または多孔質（ポーラス）部の孔の中に圧入し、圧入後、降温する過程でＳｉ基板とガラス基板を陽極接合し、この後ガラス基板を薄片化し、同時に薄片化中すでに陽極接合済みのガラス基板の溝部直上部分にスルーホールを形成し、さらに予め薄片化プロセスによって振動板を形成し、振動板上に振動の駆動源となる圧電体を成膜した他方のＳｉ基板とガラス基板を陽極接合する。すなわち、二重陽極接合する。
【０００７】
上記方法によって、二重陽極接合によって引き起こされる、最初の陽極接合界面での剥離を防止できる。すなわち、複数の凹状、あるいは多孔質状（ポーラス状）の孔を形成した一方のＳｉ基板の接合面上に、ガラス基板を載置し、ガラス基板の軟化点での熱処理中に、ガラス基板が接合面の表面形態に沿って変形し、同時にガラス基板の表面の一部が変形によって孔の中に入り込むことによって、Ｓｉ基板とガラス基板は互いに密着面積を高める状態になり、さらに降温過程中に両基板を陽極接合することから、接合面積を大きくすることが可能になり、この後薄片化研磨過程で平坦化したガラス基板表面と他方のＳｉ基板を密着し、二重陽極接合するため、最初の陽極接合界面での剥離を防止できる。さらに本方法によると、他方のＳｉ基板に振動板を形成し、振動板上に予め圧電体を形成した後、最初に陽極接合したガラス基板に他方のＳｉ基板を二重陽極接合できるため、圧電体のＳｉ基板上への成膜及び熱処理を二重陽極接合前に、すなわち個別に形成することが可能になる。そして、最初の陽極接合後、すなわち一方のＳｉ基板とガラス基板との陽極接合後、ガラス基板の薄片化過程で、あるいは超音波洗浄過程で一方のＳｉ基板のインク室直上部分のガラス基板に穴あけした後、ガラス基板に他方のＳｉ基板を陽極接合するので、インク液が穴あけ部分を通って振動板までの空間を満たすことになるので、両Ｓｉ基板に、そして個別にそれぞれインク室及び振動板を形成することが可能になることから、プロセスが簡便になる。
【０００８】
上記方法でＳｉ基板／ガラス基板／Ｓｉ基板の二重陽極接合による振動板接合法及びインク吐出の構造体を提供するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（発明の第１の実施の形態）
図１乃至図８は本発明の特徴を最も良く表す図面であり、同図において１は一方のＳｉ基板であり、２はＳｉ基板１に形成したインク室であり、３はＳｉ基板１に形成したインク流路であり、４はＳｉ基板１に形成したノズルであり、５は陽極接合するための接合面であり、６は接合面５に形成した凹部であり、８はガラス基板であり、９はガラス基板に穴あけしたスルーホール部であり、１０は他方のＳｉ基板であり、１１はＳｉ基板１０に形成した薄片化溝部であり、１２はＳｉ基板１０に形成した振動板の機能を果たす薄片部であり、１４は薄片部１２上に形成した下電極であり、１５は下電極１４上に形成した振動の駆動源となる圧電体であり、１６は圧電体１５上に形成した上電極である。
【００１０】
次に上記構成において、一方のＳｉ基板１上にガラス基板８を載置し、この後ガラス基板の軟化点まで加熱し、凹部６にガラス基板の一部が入り込み易い様に両基板を両側から荷重印加した。この場合、軟化したガラスが重力あるいは荷重印加でインク室２、インク流路３及びノズル４の中に深く入り込まない様に、ガラス基板８を下側にした状態で荷重を印加した。この後降温し、４００度Ｃで両基板間を陽極接合した。すなわち、最初の陽極接合を行った。さらに、接合状態にあるガラス基板８を図２の矢視部分Ｂを除去し、約２μｍまで薄片化研磨し、この後超音波洗浄した。この工程で、一方のＳｉ基板の溝部であるインク室２、インク流路３及びノズル４の直上のガラスは破断し、結果として穴を形成した。そして、図４に見るように他方のＳｉ基板１０に薄片化溝部１１をエッチングにより形成することにより、振動板となる薄片部１２を設け、薄片部１２に図４に見るように白金からなる下電極１４、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる圧電体１５及び白金からなる上電極１６を順次成膜する。この後、図５に見るようにＳｉ基板１及びＳｉ基板１０を対向し、インク流路と薄片部が互いに相対向するように整合し、この状態で図５に見るように二回目の接合、すなわち二重陽極接合する。二重陽極接合後図５の矢視部分Ｅをカットし、ノズル４を開通する。
【００１１】
上記で作製した素子をインク吐出系（図示無し）に組み込み、下電極１４及び上電極１６間にパルス電圧を印加したところノズル４からインクの吐出を見た。
【００１２】
尚、本実施の形態において、ガラス基板はＰｙｒｅｘガラス（コーニング社の商用登録）を用いたが、この他にも、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラス、アルミノケイ酸ガラス、感光性ガラスであっても良い。
【００１３】
尚、本実施の形態において最初の陽極接合を４００度Ｃで行ったが、印加電圧を大きくすることにより２００度Ｃでも可能である。
【００１４】
（発明の第２の実施の形態）
図９乃至図１３は本発明の特徴を良く表したものであり、同図において１は一方のＳｉ基板であり、２はＳｉ基板１に形成したインク室であり、３はＳｉ基板１に形成した流路であり、４はＳｉ基板１に形成したノズルであり、５は陽極接合するための接合面であり、７はＳｉ基板１の接合面に形成した無数の孔からなる多孔質（ポーラス）部であり、８はガラス基板であり、９はガラス基板８に穴あけしたスルーホール部であり、１０はＳＯＩ（Si on Insulator）基板のＳｉ基板であり、１２はＳＯＩ基板のＳｉ酸化膜上のＳｉからなり振動板として機能するための薄片部であり、１３はＳＯＩ基板のＳｉ酸化膜であり、１４は下電極であり、１５は振動の駆動源となる圧電体であり、１６は上電極である。
【００１５】
次に、上記構成において、一方のＳｉ基板１の接合面５に陽極酸化によって多孔質部７を形成し、多孔質７上にガラス基板８を載置し、この状態でガラス基板の軟化点まで加熱し、多孔質部７の孔の中にガラス基板の一部が入り込み易い様に両基板を両側から荷重印加した。この場合、軟化したガラス基板が重力及び荷重印加でインク室２、インク流路３及びノズル４の中に深く入り込まない様に、ガラス基板８を下側にした状態で荷重を印加した。この後降温し、４００度Ｃで両基板間を陽極接合した。すなわち、最初の陽極接合を行った。さらに、接合状態にあるガラス基板８を約２μｍまで薄片化研磨し、この後超音波洗浄した。この工程で、一方のＳｉ基板の溝部であるインク室２、インク流路３及びノズル４の直上のガラスは破断し、結果としてスルーホール部を形成した。そして、図９に見るようにＳＯＩ基板からなる薄片部１２とガラス８を対向し、互いに位置を整合した状態で両者を密着し、二回目の接合、すなわち二重陽極接合をした。そして、図１２に見るようにＳＯＩ基板のＳｉ基板１０及びＳｉ酸化膜１３をエッチングにより除去し、さらにインク流路３の直上の薄片部１２に白金からなる下電極１４、ＺｎＯ（酸化亜鉛）からなる圧電体１５及び上電極１６を順次成膜した。この後、図１３の矢視部分Ｇをカットし、ノズル４を開通した。
【００１６】
上記で作成した素子をインク吐出系（図示無し）に組み込み、下電極１４及び上電極１６間にパルス電圧を印加したところ、ノズル４からインク吐出した。
【００１７】
以上、本発明の２つの実施の形態が示され説明されたが、当業者であれば、本発明の趣旨と範囲は本明細書内特定の説明と図に限定されるのではなく、本特許請求の範囲に全て述べられた様々の修正と変更に及ぶことが理解されるであろう。
【００１８】
本発明の実施態様の例を以下に列挙する。
【００１９】
本発明の実施態様は、一方のＳｉ基板に溝部、及び、凹部または多孔質（ポーラス）部を、そして他方のＳｉ基板に薄片部を、それぞれ形成し、両Ｓｉ基板を二重陽極接合することによってインク流路及び振動板を形成する、次の各工程から成る接合方法、すなわち、
（１）一方のＳｉ基板にインク室、インク流路及びノズルとなる溝部を形成し、他方のＳｉ基板に振動板となる薄片部を形成し、
（２）さらに、一方のＳｉ基板の接合面に凹部または多孔質（ポーラス）部を形成し、
（３）ガラス基板を一方のＳｉ基板に載置し、この状態でガラス基板の軟化点まで加熱し、さらに該軟化点で熱処理し、
（４）ガラス基板と一方のＳｉ基板を陽極接合し、
（５）陽極接合後、ガラス基板を薄片化研磨し、
（６）薄片化研磨過程で、溝部直上のガラス基板にスルーホール部を形成し、
（７）他方のＳｉ基板の薄片部の直上に振動の駆動源となる圧電体を成膜し、
（８）この後、一方のＳｉ基板及び他方のＳｉ基板を対向し、インク流路と薄片部が互いに相対向するように両Ｓｉ基板を整合し、
（９）一方のＳｉ基板と他方のＳｉ基板との間を陽極接合する、
上記各工程から成る、インク室、インク流路及びノズルの形成及び振動板取り付けを二重陽極接合による接合方法である。
【００２０】
本実施態様によれば、最初に陽極接合した接合界面での接合力を大きくすることができるので、二重陽極接合の際に、最初に陽極接合した接合界面での剥離を防止できる。
【００２１】
また、二重陽極接合の際の温度は２００度Ｃから４００度Ｃの間で可能であるので、圧電体のキューリー点以下の温度で接合可能である。
【００２２】
また、薄片化したガラスを介在としたＳｉ基板同士の接合形態をとるので、インク室、インク流路、ノズル、及び振動板をＳｉプロセスを用いて形成可能である。
【００２３】
また、別々のＳｉ基板にそれぞれインク流路、インク室、ノズル及び薄片部を形成可能であるので、プロセスが容易である。
【００２４】
また、本発明においては、凹部または多孔質（ポーラス）部は、インク室、インク流路及びノズル以外の、すなわち一方のＳｉ基板の接合面に形成することが好ましい。
【００２５】
また、本発明においては、凹部は複数から成ることが好ましい。
【００２６】
また、本発明においては、軟化点でガラス基板の一部を一方のＳｉ基板の凹部または多孔質（ポーラス）部に圧入することが好ましい。
【００２７】
また、本発明においては、ガラス基板の薄片化研磨過程において、インク室、インク流路及びノズルの直上のガラス基板にスルーホール部を形成することが好ましい。
【００２８】
本発明の他の実施態様は、一方のＳｉ基板に溝部、及び、凹部または多孔質（ポーラス）部を、そして他方のＳｉ基板に薄片部を、それぞれ形成し、両Ｓｉ基板を二重陽極接合することによってインク流路及び振動板を形成する、次の各工程から成る接合方法、すなわち、
（１）一方のＳｉ基板にインク室、インク流路及びノズルとなる溝部を形成し、他方のＳｉ基板に振動板となる薄片部を形成し、
（２）さらに、一方のＳｉ基板の接合面に凹部または多孔質（ポーラス）部を形成し、
（３）ガラス基板を一方のＳｉ基板に載置し、この状態でガラス基板の軟化点まで加熱し、さらに軟化点で熱処理し、
（４）ガラス基板と一方のＳｉ基板を陽極接合し、
（５）陽極接合後、ガラス基板を薄片化研磨し、
（６）薄片化研磨過程で、溝部直上のガラス基板にスルーホール部を形成し、
（７）この後、一方のＳｉ基板及び他方のＳｉ基板を対向し、インク流路と薄片部が互いに相対向するように両Ｓｉ基板を整合し、
（８）一方のＳｉ基板と他方のＳｉ基板との間を陽極接合し、
（９）この後、他方のＳｉ基板を薄片化し、
（７）他方のＳｉ基板の薄片部の直上に、かつ、インク流路の直上に、振動の駆動源となる圧電体を成膜する、
上記各工程から成る、インク室、インク流路及びノズルの形成及び振動板取り付けを二重陽極接合による接合方法である。
【００２９】
また、本発明においては、ガラス基板は可動性イオンを有する絶縁体基板であり、ホウケイ酸ガラスまたはソーダ石灰ガラスまたはアルミノケイ酸ガラスまたは感光性ガラスであることが好ましい。
【００３０】
本発明の他の実施態様は、一方のＳｉ基板に溝部、及び、凹部または多孔質（ポーラス）部を、そして他方のＳｉ基板に薄片部を、それぞれ形成し、両Ｓｉ基板を二重陽極接合することによってインク流路（圧力室を含む、以後インク流路と呼ぶ）及び振動板を形成する、次の各工程から成る接合方法、すなわち、
（１）一方のＳｉ基板にインク室、インク流路及びノズルとなる溝部を形成し、他方のＳｉ基板に振動板となる薄片部を形成し、
（２）さらに、一方のＳｉ基板の接合面に凹部または多孔質（ポーラス）部を形成し、
（３）ガラス基板を一方のＳｉ基板に載置し、この状態でガラス基板の軟化点まで加熱し、さらに該軟化点で熱処理し、
（４）ガラス基板と前記一方のＳｉ基板を陽極接合し、
（５）陽極接合後、ガラス基板を薄片化研磨し、
（６）薄片化研磨過程で、溝部直上の前記ガラス基板にスルーホール部を形成し、
（７）他方のＳｉ基板の薄片部の直上に振動の駆動源となる圧電体を成膜し、
（８）この後、一方のＳｉ基板及び他方のＳｉ基板を対向し、インク流路と薄片部が互いに相対向するように両Ｓｉ基板を整合し、
（９）一方のＳｉ基板と他方のＳｉ基板との間を陽極接合する、
上記各工程から成る、インク室、インク流路及びノズルの形成及び振動板取り付けを二重陽極接合による接合方法によって形成されたことを特徴とする、二重陽極接合による接合構造体である。
【００３１】
本発明の他の実施態様は、一方のＳｉ基板に溝部、及び、凹部または多孔質（ポーラス）部を、そして他方のＳｉ基板に薄片部を、それぞれ形成し、両Ｓｉ基板を二重陽極接合することによってインク流路及び振動板を形成する、次の各工程から成る接合方法、すなわち、
（１）一方のＳｉ基板にインク室、インク流路及びノズルとなる溝部を形成し、他方のＳｉ基板に振動板となる薄片部を形成し、
（２）さらに、一方のＳｉ基板の接合面に凹部または多孔質（ポーラス）部を形成し、
（３）ガラス基板を一方のＳｉ基板に載置し、この状態でガラス基板の軟化点まで加熱し、さらに該軟化点で熱処理し、
（４）ガラス基板と一方のＳｉ基板を陽極接合し、
（５）陽極接合後、ガラス基板を薄片化研磨し、
（６）薄片化研磨過程で、溝部直上の前記ガラス基板にスルーホール部を形成し、
（７）この後、一方のＳｉ基板及び他方のＳｉ基板を対向し、インク流路と薄片部が互いに相対向するように両Ｓｉ基板を整合し、
（８）一方のＳｉ基板と他方のＳｉ基板との間を陽極接合し、
（９）この後、他方のＳｉ基板を薄片化し、
（７）他方のＳｉ基板の薄片部の直上に、かつ、インク流路の直上に、振動の駆動源となる圧電体を成膜する、
上記各工程から成る、インク室、インク流路及びノズルの形成及び振動板取り付けを二重陽極接合による接合方法によって形成されたことを特徴とする、二重陽極接合による接合構造体である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、以下の効果がある。
【００３３】
本発明によれば、最初の陽極接合においてＳｉ基板の接合面に凹状の窪み、あるいは多孔質（ポーラス）状の層を形成し、この後接合面とガラスを密着し、この状態でガラス基板の軟化点まで加熱し、この熱処理過程中にガラス基板が凹部、あるいは多孔質の孔に入り込ませてミクロレベルで密着し、かつ密着面積を大きくした後、降温過程中に陽極接合を行い、この後ガラス基板の薄片化研磨によってガラス基板を平坦化し、同時にこの過程でガラス基板にスルーホールを形成し、さらに振動板としての機能を有する薄片部に圧電体を設けたＳｉ基板を二重陽極接合する。あるいは、薄片化したＳｉ基板の上に圧電体を形成することによって、インク吐出用素子の構造体を形成することから、
１．最初に陽極接合した接合界面での接合力を大きくすることができるので、二重陽極接合の際に、最初に陽極接合した接合界面での剥離を防止できる。
２．二重陽極接合の際の温度は２００度Ｃから４００度Ｃの間で可能であるので、圧電体のキューリー点以下の温度で接合可能である。
３．薄片化したガラスを介在としたＳｉ基板同士の接合形態をとるので、インク室、インク流路、ノズル、及び振動板をＳｉプロセスを用いて形成可能である。
４．別々のＳｉ基板にそれぞれインク流路、インク室、ノズル及び薄片部を形成可能であるので、プロセスが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態におけるインクの流路を有するＳｉ基板にガラス基板を陽極接合する前の断面図である。
【図２】第１の実施の形態におけるインクの流路を有するＳｉ基板にガラス基板を陽極接合した時の断面図である。
【図３】第１の実施の形態におけるインクの流路を有するＳｉ基板にガラス基板を陽極接合した後、ガラス基板を薄片化研磨し、同時に流路部分のガラス基板に穴あけした断面図である。
【図４】第１の実施の形態において、一方の基板、すなわち圧電体を成膜したＳｉ基板から成る成膜用基板と、他方の基板、すなわちガラス基板を陽極接合したＳｉ基板を、二重陽極接合する前、相対向してアライメントした状態の断面図である。
【図５】第１の実施の形態において、一方の基板、すなわち圧電体を成膜したＳｉ基板から成る成膜用基板と、他方の基板、すなわちガラス基板を陽極接合したＳｉ基板を二重陽極接合した時の断面図である。
【図６】第１及び第２の実施の形態における図１のＡ矢視図である。
【図７】第１及び第２の実施の形態における図３のＣ矢視図である。
【図８】第１の実施の形態における図４のＤ矢視図である。
【図９】第２の実施の形態における一方の基板、すなわちＳＯＩ基板を、他方の基板、すなわちガラス基板を陽極接合したＳｉ基板に二重陽極接合する前、相対向してアライメントした状態の断面図である。
【図１０】第２の実施の形態における図９のＦ矢視図である。
【図１１】第２の実施の形態における一方の基板、すなわちＳＯＩ基板を、他方の基板、すなわちガラス基板を陽極接合したＳｉ基板に二重陽極接合した時の断面図である。
【図１２】第２の実施の形態における二重陽極接合後、振動板を形成した時の断面図である。
【図１３】第２の実施の形態における振動板上に圧電体を形成した時の断面図である。
【符号の説明】
１ Ｓｉ基板
２ インク室
３ インク流路
４ ノズル
５ 接合面
６ 凹部
７ 多孔質（ポーラス）部
８ ガラス基板
９ ガラス基板のスルーホール部
１０ Ｓｉ基板
１１ 薄片化溝部
１２ 薄片部（振動板）
１３ Ｓｉ酸化膜
１４ 下電極
１５ 圧電体
１６ 上電極

Claims (1)

1. 一方のＳｉ基板に溝部、及び、凹部または多孔質（ポーラス）部を、そして他方のＳｉ基板に薄片部を、それぞれ形成し、両Ｓｉ基板を二重陽極接合することによってインク流路（圧力室を含む、以後インク流路と呼ぶ）及び振動板を形成する、次の各工程から成る接合方法、すなわち、
   （１）一方のＳｉ基板にインク室、インク流路及びノズルとなる溝部を形成し、他方のＳｉ基板に振動板となる薄片部を形成し、
   （２）さらに、前記一方のＳｉ基板の接合面に凹部または多孔質（ポーラス）部を形成し、
   （３）ガラス基板を前記一方のＳｉ基板に載置し、この状態で前記ガラス基板の軟化点まで加熱し、さらに該軟化点で熱処理し、
   （４）前記ガラス基板と前記一方のＳｉ基板を陽極接合し、
   （５）前記陽極接合後、前記ガラス基板を薄片化研磨し、
   （６）該薄片化研磨過程で、前記溝部直上の前記ガラス基板にスルーホール部を形成し、
   （７）前記他方のＳｉ基板の前記薄片部の直上に振動の駆動源となる圧電体を成膜し、
   （８）この後、前記一方のＳｉ基板及び前記他方のＳｉ基板を対向し、前記インク流路と前記薄片部が互いに相対向するように両Ｓｉ基板を整合し、
   （９）前記一方のＳｉ基板と前記他方のＳｉ基板との間を陽極接合する、
   上記各工程から成る、インク室、インク流路及びノズルの形成及び振動板取り付けを二重陽極接合によることを特徴とする、二重陽極接合による接合方法。

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